1、我國(guó)泵CAD 技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

　　我國(guó)泵計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 的研究工作盡管起步較晚，但經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員20余年的不斷努力，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為目前在采用一元設(shè)計(jì)理論進(jìn)行二維水力設(shè)計(jì)和繪型方面已經(jīng)比較成熟。從20 世紀(jì)70 年代末到90 年代中期，主要研究離心泵水力CAD， 并且開(kāi)發(fā)成功了基本實(shí)用的離心泵水力設(shè)計(jì)CAD 軟件。進(jìn)入90 年代后，由于Windows 操作系統(tǒng)和AutoCAD 繪圖軟件的采用，人們開(kāi)始利用AutoLisp 和C 語(yǔ)言在Windows操作系統(tǒng)和AutoCAD 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)泵的水力設(shè)計(jì)CAD 軟件。

　　從20 世紀(jì)90 年代中期開(kāi)始，泵CAD的研究工作向廣度和深度方向發(fā)展，主要研究成果有：

　　(1) 開(kāi)始了三維造型的研究。戴勇峰等人于1994 年用有限元程序進(jìn)行了泵體的三維造型研究，同年，高建華等人進(jìn)行了離心泵葉片和流道三維造型研究，王福軍等人于1997 年在AutoCAD 平臺(tái)上進(jìn)行了圓柱葉片和葉輪的造型研究。

　　(2) 出現(xiàn)了實(shí)用的商業(yè)化的泵水力設(shè)計(jì)軟件。筆者于1999 年在Windows9. X 操作系統(tǒng)下，利用Visual C+ + 在AutoCAD14 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)成功了商業(yè)化的多功能泵水力設(shè)計(jì)CAD 軟件) ) )PCAD2000，該軟件具有功能齊全、實(shí)用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)精度高和設(shè)計(jì)實(shí)例多等特點(diǎn)。

　　(3) 開(kāi)展了泵結(jié)構(gòu)CAD 的研究。在90年代中期以前，泵CAD 的研究工作主要集中在水力設(shè)計(jì)方面，而對(duì)泵結(jié)構(gòu)CAD 的研究幾乎是空白。由于同一系列的泵產(chǎn)品可能會(huì)有很多的規(guī)格，因此泵結(jié)構(gòu)CAD 的研究具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

　　(4) 研究?jī)?nèi)容更加豐富。在泵CAD 的起步和發(fā)展階段的主要工作都集中在應(yīng)用最廣泛的離心泵方面。1993 年，王業(yè)明研究了虹吸式出水流道CAD[13]，1994 年，全誠(chéng)研究了軸流泵CAD，隨后，孫建平1995 年研究了渣漿泵CAD，筆者從1998 年開(kāi)始詳細(xì)研究了無(wú)堵塞單流道泵和雙流道泵的CAD，并成功開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的實(shí)用的商業(yè)軟件。

2、泵CAD 軟件的技術(shù)特點(diǎn)

2.1、人機(jī)交互技術(shù)

　　由于目前普遍采用的是一個(gè)半理論、半經(jīng)驗(yàn)的方法，因此泵水力設(shè)計(jì)過(guò)程中需要通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)來(lái)揉合進(jìn)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。同一種泵使用場(chǎng)合的千差萬(wàn)別和企業(yè)不同的生產(chǎn)制造水平也決定了泵水力設(shè)計(jì)是一個(gè)人機(jī)交互的過(guò)程。

　　人機(jī)交互方法可以通過(guò)對(duì)話框、命令行、屏幕對(duì)象捕捉等方法來(lái)進(jìn)行。對(duì)話框可視性好，但不夠靈活且速度較慢，難以很好地表現(xiàn)水力設(shè)計(jì)的某些過(guò)程。命令行方法( 如AutoCAD 軟件中的COMMAND 行) 簡(jiǎn)單、方便、快速，是最常用的人機(jī)交互方法之一。屏幕對(duì)象捕捉方法具有直觀、實(shí)時(shí)和易掌握的優(yōu)點(diǎn)，但水力設(shè)計(jì)的很多過(guò)程通過(guò)該方法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際編程時(shí)可以綜合采用這幾種方法，如以命令行方法為主，以對(duì)話框和屏幕對(duì)象捕捉方法為輔。

2.2、性能預(yù)測(cè)

　　在水力設(shè)計(jì)完成后，對(duì)泵進(jìn)行可靠的性能預(yù)測(cè)是泵技術(shù)人員努力追求的目標(biāo)。只要有精確的性能預(yù)測(cè)模型，就可在泵水力CAD 軟件中進(jìn)行實(shí)施。水力設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，如沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則利用計(jì)算機(jī)快速地重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行修改，直到滿意為止。遺憾的是目前尚無(wú)實(shí)用的通用性能預(yù)測(cè)模型�？梢灶A(yù)言，泵性能預(yù)測(cè)模型將是一個(gè)研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

2.3、優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　目前，泵水力設(shè)計(jì)主要還是采用模型相似換算法或速度系數(shù)法，但這兩種方法都存在一定的缺陷。模型相似換算法雖然可靠，但泵的性能基本上取決于模型泵，不利于進(jìn)一步改善和提高泵性能; 速度系數(shù)法確定葉輪參數(shù)要依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，存在著隨意性。

　　利用泵水力設(shè)計(jì)CAD 軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單、快捷。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有損失極值法和準(zhǔn)則篩選法。目前應(yīng)用最多的損失極值法以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件是其數(shù)學(xué)描述的散要素。由于很難提出合適的準(zhǔn)則，準(zhǔn)則篩選法很少用。

2.4、接口技術(shù)

　　泵水力設(shè)計(jì)CAD 軟件的接口技術(shù)包括與計(jì)算機(jī)輔助制造( CAM) 和其它軟件的接口兩個(gè)方面。

　　隨著計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)( CIMS) 的發(fā)展，會(huì)有越來(lái)越多的泵企業(yè)采用CAM 技術(shù)進(jìn)行泵產(chǎn)品的生產(chǎn)或模具制造，因此泵水力設(shè)計(jì)CAD 軟件必須考慮到與CAM 模塊的接口問(wèn)題，否則不能滿足和適應(yīng)泵制造技術(shù)的發(fā)展。選用優(yōu)秀的圖形支撐軟件是解決此問(wèn)題的有效方法和捷徑，如Auto-CAD、UG、ProE 等，這類支撐軟件不僅提供了與CAM 的結(jié)構(gòu)，還提供了圖形打印、文件管理，計(jì)算重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有限元分析等諸多實(shí)用的功能。

　　圖1 是AutoCAD 中數(shù)據(jù)的流動(dòng)方式，由圖1 可知，用AutoCAD 為支撐軟件時(shí)，泵水力設(shè)計(jì)CAD 模塊可以通過(guò)SCR、DXF 或IGES 等文件把數(shù)據(jù)傳遞給CAM 模塊來(lái)進(jìn)行模具加工或產(chǎn)品生產(chǎn)。

圖1 CAD 模塊與CAM 模塊之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)關(guān)系

　　泵企業(yè)所采用的繪圖軟件有多種，如電子圖板、開(kāi)目、AutoCAD 等，泵水力設(shè)計(jì)CAD 軟件還要能與這些繪圖軟件進(jìn)行接口。同樣，選用優(yōu)秀的圖形支撐軟件是解決此問(wèn)題的好方法和捷徑。

2.5、功能模塊化技術(shù)

　　由于不同的泵和同一種泵的各過(guò)水部件所采用的水力設(shè)計(jì)方法不同，因此在開(kāi)發(fā)泵水力設(shè)計(jì)CAD 軟件時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的功能，或不同的水力部件來(lái)分模塊設(shè)計(jì)，如在文獻(xiàn)[ 10] 中就有離心泵葉輪模塊、混流泵葉輪模塊、軸流泵葉輪模塊、雙流道葉輪模塊、螺旋形壓水室模塊、雙蝸殼壓水室模塊、徑向?qū)�葉模塊和空間導(dǎo)葉模塊等。采用模塊化技術(shù)時(shí)首先將軟件劃分成各個(gè)功能模塊，然后分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再合成一個(gè)系統(tǒng)，它有利于泵水力設(shè)計(jì)CAD 軟件的調(diào)試、維護(hù)、升級(jí)和內(nèi)容擴(kuò)充，還便于分模塊來(lái)進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

2.6、數(shù)據(jù)管理技術(shù)

　　泵水力設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要采用大量的數(shù)據(jù)資料，對(duì)數(shù)據(jù)的管理方法通常有數(shù)據(jù)庫(kù)法、數(shù)據(jù)文件法和內(nèi)存變量法3 種。

　　數(shù)據(jù)庫(kù)法適合數(shù)據(jù)量很大的場(chǎng)合，數(shù)據(jù)的維護(hù)很方便，但編程量較大，可用于水力模型數(shù)據(jù)的存放( 可采用的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件) 。數(shù)據(jù)文件法適合于中等數(shù)據(jù)量的場(chǎng)合，相對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)法而言，編程量較小，但對(duì)數(shù)據(jù)的維護(hù)不方便，模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞可以采用此方法。內(nèi)存變量法適合于數(shù)據(jù)量較小的場(chǎng)合( 如壓水室隔舌角與比轉(zhuǎn)數(shù)之間關(guān)系的數(shù)據(jù))，優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快。

3、存在的不足

　　我國(guó)泵CAD 發(fā)展中存在著以下的不足：

　　(1) 離心泵水力設(shè)計(jì)CAD 研究的相對(duì)較多，而其它類型泵CAD 研究的相對(duì)較少或是空白，如對(duì)軸流泵、無(wú)堵塞泵的研究遠(yuǎn)沒(méi)有離心泵那樣廣泛和深入。

　　(2) 二維水力設(shè)計(jì)和繪型研究的相對(duì)較多，而三維實(shí)體造型研究的相對(duì)較少。隨著機(jī)械產(chǎn)品制造技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)將會(huì)在泵業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，三維造型系統(tǒng)是CIMS 中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　(3) 缺乏合作，研究方向嚴(yán)重重合。國(guó)內(nèi)有多家單位進(jìn)行過(guò)或正在進(jìn)行泵CAD 的研究，其間合作甚少，有些甚至進(jìn)行的是重復(fù)性的研究工作，這無(wú)疑是一種資源浪費(fèi)，也影響了我國(guó)泵CAD 的發(fā)展速度。

4、發(fā)展方向

　　(1) 開(kāi)發(fā)實(shí)用的具有三維實(shí)體造型功能的泵CAD 軟件。現(xiàn)有的水力設(shè)計(jì)軟件在完成水力設(shè)計(jì)后，基本上沒(méi)有進(jìn)行三維實(shí)體造型和CFD 分析

　　的功能。而水力設(shè)計(jì)的完成，已為三維造型提供了足夠的三維信息。在現(xiàn)有的條件下，可以充分利用已有的支撐軟件來(lái)完成這種過(guò)程，例如在AutoCAD R14 上開(kāi)發(fā)水力設(shè)計(jì)軟件，在MDT 3 或ProPEngineer2000I 上進(jìn)行三維造型。參見(jiàn)圖2。二維水力設(shè)計(jì)完成后，不易直觀地觀察流道或葉片的空間形狀，在三維實(shí)體造型完成后可以進(jìn)行初步的分析，如流道或葉片的光順性評(píng)估、強(qiáng)度分析、質(zhì)心分析等，若不滿意，可以進(jìn)行修改。

圖2 雙流道葉輪三維實(shí)體造型示意

　　(2) 選擇優(yōu)秀的支撐軟件，加速泵CAD 軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。國(guó)內(nèi)的泵CAD 軟件大多是在Auto-CAD 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，要進(jìn)一步提高軟件的功能和

　　加速開(kāi)發(fā)過(guò)程，可以選擇功能更強(qiáng)的支撐軟件，如ProE、UG 等。但由于這些軟件相對(duì)較貴，應(yīng)考慮到泵生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)承受能力。

　　(3) 將CAD 與CAPP、CAM 系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成CIMS，促進(jìn)我國(guó)泵設(shè)計(jì)、制造水平的進(jìn)步。CIMS 不僅可以大大縮短泵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期，還可以大幅度地提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本，從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖3 雙流道葉輪CFD 計(jì)算用三維貼體網(wǎng)格

　　(4) CAD 和CFD 技術(shù)相結(jié)合。通過(guò)CFD 技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)結(jié)果的好壞，減少泵產(chǎn)品試制費(fèi)用，甚至直接利用CFD 的反問(wèn)題進(jìn)行水力設(shè)計(jì)。三維實(shí)體造型為產(chǎn)生CFD 的三維體貼網(wǎng)格( 圖3) 奠定了基礎(chǔ)，在由CFD 分析得到的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，可修改水力設(shè)計(jì)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止，參見(jiàn)圖4。

圖4 CAD 與CFD 的關(guān)系

　　(5) 加快和完善泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD 軟件的開(kāi)發(fā)，來(lái)提高泵系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度和質(zhì)量。