喷射虹吸式坐便器的cad及cae分析

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1、喷射虹吸式坐便器的CAD及CAE分析摘要：以实际的喷射虹吸式坐便器的物理模型为基础，建立了坐便器冲水过程的三维数值模拟方法,得出了一条从“实物-CAD逆向建模-网格划分-FLUENT数值求解-结果显示与分析-结构优化-结果比较与分析”的数值模拟方法，通过考察水包壁面流场水流分布、总压分布及壁面速度场分布，由计算结果得到坐便器性能优化的规律。根据分析结果，结合进一步的实验研究，可为高质量、节水型坐便器的开发和设计提供重要依据。关键词:虹吸式坐便器:逆向建模;数值模拟;结构优化1引言当前，制造业的首要任务是设计研宄出能够满足用户需要的新产品，并以最快的速度使之上市，占领市场从而赢得市场竞争的胜

2、利。传统产品幵发模式的主要缺点在于不能在产品的开发设计阶段就对其生命周期的全过程中的各种因素考虑周全，致使在产品设计甚至制造出来后才发现各式各样的问题，以至于不得不修改产品的最初设计，从而延长了开发周期，增加了成本，最终丧失商机。因此，充分利用各种计算机辅助工具，将会有效减少各种问题,如逆向工程CAD建模及CAE技术相结合的应用，可有效缩短产品幵发周期，降低成本，提高质量［1-4］。逆向工程技术历经几十年的研究与发展，己经成为产品快速开发过程的重要支撑技术之一。它与计算机辅助设计、优化设计、有限元分析、设计方法学等有机组合，构成了现代设计理论和方法的整体。计算机辅助工程(CAE)技术是计算

3、机技术和工程分析技术相结合形成的先进技术，它运用计算力学、计算数学和数字仿真技术等对设计产品的性能进行分析。CAE技术是现代产品设计屮创造价值的屮心环节，己逐渐成为企业实现创新设计的最主要保障之一[5]。应用产品CAD进行模型修改后，可以进一步进行数值分析，经过这种的“设计-分析-再设计-再分析”的循环过程，可以优化产品的结构，提高产品质量,减少对产品原型和试验用模具的反复修改。本文即以实际的喷射虹吸式坐便器为例，通过对其逆向建模-数值求解-结果显示与分析-结构优化-结果比较与分析这样一个过程来获得最佳性能的产品，降低应用实际洁具样品进行冲水性能试验测试及分析所需的时间与成木。2喷射虹吸式

4、坐便器模型重构本文通过三维激光抄数机对喷射虹吸式坐便器进行数据采集，利用Imageware对所获取的三维点云数据进行数据的简化、平滑等处理，并构造线框模型,通过Pro/E强大的曲妞造型功能，对所导入的线框模型进行了曲面的构建和实体模型的重构。把Imageware得到的线框模型保存为.igs格或，读入线框数据，根据坐标系的对齐和相互间的关系，进行线框的对齐合并，形成反映坐便器实体的总线框模型,数据导入结果如图1所示。本文利用Pro/E中自由曲面造型和常规的Pro/E曲面（例如拉伸面、填充特征、旋转面等）相结合的方法建立坐便器曲面，然后让曲面适应扫描数据，以获得规定之内的误差。通过增加和去除栅

5、格线，可以提供控制曲妞的光滑程度和灵活控制细节的能力。基于曲面的力*法可以快速建立光滑的曲面并控制曲面对扫描数裾的偏差，使误差最小。最后在基于曲面的基础上对坐便器进行实体建模，“造型”工具可以方便而迅速地创建自由生成的曲线和曲面，并将多个元素合并成超级特征，它是在一个相对独立的环境中完成的，用户可创建完全自由的造型特征或利用Pro/E其参数化和关联功能,造型特征非常灵活,具有高度弹性化。通过图1所示的坐便器轮廓线，在Pro/E屮利用自由曲面造型功能和其它常规的曲面建模方法对其进行逆向设计。结合三维模拟仿真，本文只对能体现坐便器性能的最关键部分（水包、排污管、内流道、坐圈和水箱）进行逆句造型

6、。设计顺序为排污管-水包-坐圈-水箱-^内流道，设计过程如图2所示。通过建立基于实例的坐便器的数字模型，通过有限元分析软件，对设计的华便器模型进行模拟仿真，从而实现陶瓷洁具的数字化质量管理，更加方便地开发出节水效果更好、功能更强和造型更丰富的坐便器新产品。3坐便器三维数值模拟的基本原理3.1喷射虹吸式华便器流场数值求解方法在FLUENT软件当中，有两种数值方法可以选择:基于压力的求解器和基于密度的求解器。从传统上讲，基于压力的求解器是针对低速、不可压缩流开发的，基于密度的求解器是针对高速、可压缩流开发的。喷射虹吸式坐便器的冲水过程是复杂流道、带自由表妞的混合边界条件下三维非稳态气、液多相流

7、问题，根据实际情况,本文选用基于压力的分离求解器。3.2湍流数值模拟方法及壁面条件根据喷射虹吸式坐便器的实际情况，本文对数值模拟仿真采用湍流粘性系数法中的Realizablek~e双方程模型［6］。Realizablek-e模型是对标准k_e模型和RNGk_e的补充。“Realizable”表示模型满足某种数学约束，和湍流的物理模型是一致的。在Realizable模型屮输运方程为：这里的k方程与标准模型和RNGk-e模型