现代设计方法在水泵中的应用

摘　要：水泵的应用十分广泛，上到天上的飞机、火箭，下到地下的钻井、采矿等，到处都需要泵，到处都可以看见泵在运行。本文首先从当前水泵的开发现状出发，阐述了现在水泵开发的不合理性，进而引出现代设计方法在水泵中应用的理念。之后阐述了现代设计方法的基本概念和内容，分析了几种水泵设计常用的现代设计方法，为水泵设计提供借鉴。

关键词：水泵，现代设计方法，CAD，CFD，有限元分析,优化设计。

1 引言
　　水泵是输送液体和液体增压的机械，广泛应用我们的工农业中。长期以来水泵的设计模式主要是在以往的经验基础上，通过模型试验和不断修正之间反复交互的模式进行的。在设计完成后还要对整机进行性能的测试和验证。这样的设计模式带有一种随即性和盲目性，不仅研发周期长，效率低下，而且往往得不到一种理想的设计方案。
 随着中国市场的不断对外开放，国外产品不断涌入中国。在水泵市场的竞争日趋激烈。用户的需求也在不断提高，人们越来越重视水泵的性价比，可靠性和耐久性。显然上述传统的设计模式很难满足当前的需要，必须融入现代设计的理念和方法，才能有效地提高水泵设计的效率和质量。本文接下来将首先阐述现代设计方法的基本概念和内容，之后具体描述集中水泵设计常见的现代设计方法。

2 现代设计方法基本概念和内容
　　现代设计方法是在思维科学和设计理论系统工程的基础上，以方法论为指导，以计算机为工具进行设计的方法总和。现代设计方法不是研究某个领域，而是研究该领域的研究方法。对这些研究方法进行归纳总结，分析各个方法的优缺点，以挖掘出新的有创造性的方法，之后再用于该领域。
 和传统的设计模式相比，现代设计方法研究的比较深入和丰富。它通过分析现有的经验和实践，之后上升为理论高度，不断归纳总结，演绎成为新的内容。随着计算机技术的发展，我们借助计算机技术，融合事物客观规律和人的思维方式进行集成化研究，这些在以前是不可想象的，这种设计模式的效率得到了质的飞跃。
 现代设计方法是随着当代科学技术的发展和计算机技术的广泛应用而在涉及领域大展起来的一门新的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群的总和。现在它的内容主要包括：优化方面的设计、可靠性方面的设计、计算机辅助方面的设计、模块化方面的设计、有限元方面的设计、并行工程、人工神经元方面的计算方法等等。
 现代设计方法特点鲜明，主要包括：1）系统性，现代设计方法是以系统工程为基础的，强调使用系统工程的处理方法进行研究，所以它是高度系统化的；2）智能性，它利用计算机的超强计算能力和高性能的算法寻求最优参数和最优解决方案；3）创新性，它是对现有方法进行研究，以寻求创新，找出针对该领域新的有效的解决方法；4）先进性，它是在现有方法的基础上，采用先进的技术进行集成化分析，以提高设计的效率；5）动态性，它通过计算机模拟各个影响因素，进行动态多变量设计；6）计算机化，从现代设计方法的方法论来看，它主要以计算机技术为支撑的。

3 水泵设计中常用的现代设计方法
　　在上面介绍的现代设计方法中，与水泵设计相关的主要有以下几种方法，分别是：计算机辅助设计技术、CFD技术、有限元分析、优化技术、造型技术、可靠性设计、价值工程和计算机辅助测试。下面我们分别对上面所提到的几种常用于水泵设计的现代设计方法作简要叙述并对其在水泵设计中的应用做叙述。
      3.1 计算机辅助设计
　　计算机辅助设计利用计算机的优良特性，计算量大准确度高等优势，完成手工计算难以达到的准确度和精度，用来辅助人工计算，来满足现代设计的要求。这种现代设计方法将人们从繁复的劳动中解放出来，让计算机来完成过去的工程师所需要手动完成的任务。
　　我国的计算机行业起步较晚，计算机辅助设计用于工程实际的时间也不是很长。在水泵设计方面，计算机辅助设计给了我们很多很好的启示。从泵CAD的研发工作开始，到软件开发和硬件条件的融合，注重计算机辅助设计和计算机辅助制造的相互结合，给出了一条适合我们自身发展的水泵设计计算机辅助设计的方法和套路。
　　计算机辅助设计带来的便利，使得现在的水泵设计周期大幅度缩短，人工也更精简，相应的成本容量也就更小，不过我们应认识到，在这同时，计算机辅助设计并不能够非常完美地解决各类水力学的计算问题，我们仍需要使用人工来计算和完善设计。
      3.2 CFD 技术
　　CFD即计算流体动力学，他利用计算机等终端设备，采用一定的软件来模拟实际的流体运动状态，现而今这种多用途的软件和应用在工程实际中应用非常广泛，人们通常使用这类软件来模拟桥梁或坝体对应力的影响。
　　这种技术为水泵设计了一个虚拟的仿真平台，使得水泵的内部可视化，可以获得直观的感受，同时通过观察水泵内部的特性，也更易于使得设计的水泵朝着我们所希望的方向发展，优化水泵的性能。在可以预见的未来，CFD技术将是设计水泵和测试水泵性能好坏的必要手段之一，其发展毋庸置疑。
      3.3 有限元分析
　　有限元法属于一种新兴的数值计算方法，其诞生于二十世纪六十年代，随着近年来计算机技术的不断发展，它的发展也非常迅猛，计算机技术的发展使得计算量大的数值计算方法的工程实现成为了可能，也就较好的推进了这一技术的发展。
　　有限元法的基本思想是将所需的结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示一个复杂的大的单元结构，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。
　　有限元法的出现和推广应用，可以显著提高水泵的性能。它使得众多设计人员得以摆脱传统的经验化设计模式，有利用创新并开发出更加设计恰当的水泵产品，在计算机技术迅猛发展的今天，随着计算机可处理的计算量的增大和工作速度的不断增大，他带来的工程便利在这一方法上的优势也会越来越明显。
      3.4 优化设计
　　优化设计类似于一种工程控制上的最优化方法，它综合考虑各类影响因素，诸如处理性能，水流压力，磨损，体积外形等等因素，来综合化考量获得一个较为优良的全局特性。它将水力学的各类优化方法融合在一起，通过研究水流对水泵的内部作用力 等多重因素来优化设计水泵的结构，这种方法的优势在于他可以博取各类应用性设计理论的优势，获得一个理论上或者是近似的最优解，但是其工程应用上的正确性还有待进一步的工程验证。
　　随着水力学和各类流体运动理论的不断完善和发展，这类方法设计的准确性和精度也会上升到一个较好的高度。

4 结论
　　现代设计方法的不断发展，是因为它有着科学的理论基础作为它的指导思想，它的发展和壮大是以社会、人和工程实际的需求为目的的，这也很大程度上的使得其发展异常迅猛，应用越来越有效。这些方法多数以计算机技术为辅助的设计手段，它是在传统设计基础上发展起来的新的设计理论与方法。
　　采用现代设计法指导工程实践，对于我们设计和创新水泵结构，优化总体性能，完善过去经验设计中的不足都有很大的作用。相信随着各类辅助技术和工程设计理论以及各类流体理论的不断发展完善，这些现代设计方法，包括正在使用中的和尚未出现还处于萌芽状态的方法，将会越来越大的在各类设计中发挥作用。

参考文献
[1] 邵国辉, 赖喜德. 现代设计方法在水泵设计中的应用[J]. 机械设计与制造 , 2009,(08)
[2] 粱芝兰. ANN技术在水泵设计中的应用[J]. 排灌机械 , 1994,(04)
[3] 尹志明, 李筱华. 价值工程在基础优化设计中的应用[J]. 基建优化 , 2002,(01)