一、衛浴產品的設計背景

　　高檔衛浴產品的出水一般有花灑式、柔水式、瀑布式、雨滴式以及各種 組合方式，對出水量、出水速度、出水 方式、水流形狀和結構強度等都有嚴格要求。傳統的產品開發是依經驗設計、 樣品制造、實驗和修改設計的過程循環 進行，開發周期長，開發成本高。在現 代設計理念中，模型設計以后進行數值 分析打破了傳統的循環過程，縮短產品 開發周期，減少開發成本。

　　通常人們認為數值分析涉及到有限 元、微分方程數值求解等更多的專業知 識，需要在具備強大計算能力的專業軟件中才能進行，所以這是專門的計算分析人 員才能開展的工作。事實上，隨著計算機 硬件的發展和計算方法的成熟，數值分析 成為設計工程師能夠熟練應用的手邊工具 的階段已經到來，這就是SolidWorks公司 所倡導的設計分析一體化。

圖1

　　衛浴產品在一定的進水壓力下水 流的壓力梯度狀況、流場分布、出水口 的水流狀態和水流對結構的壓力分布狀 態，直接決定了產品的出水量、出水 速度、出水方式、水流形狀和結構強 度等產品的外在表現參數。S o l i d W o r k s3D、SolidWorks FloWorks和SolidWorks S i m u l a t i o n的組合能夠進行快捷、準確 的計算和分析流體狀態，以及結構的壓力分布情況，并能方便地進行設計修改和優化，以達到設計、分析和優化一體化的目的。

　　二、設計分析一體化操作界面

　　從 SolidWork s 軟 件 的 界 面 ( 如圖1所示)來看，S i m u l a t i o n和F l o w Simulation都是與SolidWorks完全集成 的插件。因此，在產品設計和分析中， 不需要軟件界面上的切換，更不需要進 行模型轉換，只需點擊不同的指令按 鈕，就可以進行條件設定與分析。同 樣，在得到分析結果后，要對產品作設 計變更，也是在同一界面中修改，然后 重新運行算例即可。由于SolidWorks強 大的3D設計與分析功能的完全集成， 所以不存在設計模型轉換的數據丟失問 題，并能夠快速對設計模型進行修改， 真正提高設計與分析的優化效率。

　　本文以產品的設計、流體分析和 結構有限元分析為例，介紹SolidWorks3D、SolidWorks FloWorks和SolidWorks Simulation組合在衛浴行業中的應用。以下模型非正式產品，其參數設定僅是 示意。

　　三、通過Flow Simulation解 決流場問題

　　1.環境設定

圖2

　　在SolidWorks中完成產品的初步設 計以后，通過向導對話框(見圖2)，我們可以很快建立一個新的算例，并設 定好相關的環境參數、網格精度和流體 條件等。

　　2.邊界條件設定

　　對于所設計的產品(見圖3)，在 進水口定義進水的壓力或流量，在出水 口定義壓力為大氣壓。這里要注意的 是，整個腔體是封閉的。

　　3.研究目標設定

圖3

　　通過目標，我們可以得到一些重要的分析結果數據。如要得到出水口的體 積流量、質量流量和流速，則可以選擇 出水端口的面，添加目標參數(見圖4 和圖5)，這樣在完成分析后，即可以通過Excel格式顯示這些面上的詳細參數。

圖4

圖5

　　4.計算與后處理

　　運行算例，自動完成運算之后， 我們可以通過多種后處理來查看所關心 的結果。

圖6

圖7

圖8

圖9

圖10

　　我們首先需要了解整個流場在腔體 中的狀況，這里可以通過流線來查看水流在腔體內流動的狀況，也可以通過動畫的 方式顯示，同時通過云圖來表示各處的水 壓、流速等分布情況，如圖6所示。接著對于某些關鍵截面，我們還 要了解其壓力分布，就需要在關鍵位置建立一個參考面，之后即可顯示該截面上的壓力分布云圖，如圖7所示。當然產品內壁所受到的壓力對于 產品結構的影響非常重要，這里可以一 次性選擇所有內壁面來顯示其壓力分布 云圖，如圖8所示。

　　出水口內壁的壓力分布，直接影 響到出水的狀況，那么就以出水口處 局部的壓力分布來參考，如圖9所示。 在我們設定完成研究目標后，運算結束 之后的結果可以通過E x c e l形式將具體 數據羅列出來，如圖10所示。

　　有了以上的結果作為參考，我們 可以判斷一些水流的狀態，通過修改導 管來降壓導流，讓整個流場的分布更為 合理。對于新進的工程師，如果有新想 法，可以直接到模型中修改結構，快速實現自己的創意，之后更新模型重新運 算，就可以驗證這種想法是否合理。這 樣通過虛擬樣機的模擬，可以減少實驗 成本。而對于資深的工程師來說，在有 經驗和分析數據的結合后，能夠得到非常有說服力的數據，更快更好地修改模 型，達到最優。

　　四、通過Simulation分析產品結構強度

圖11

圖12

圖13

圖14

　　完成流體分析之后，我們還想知道在正常的工作狀態下，產品結構 是否能夠承受內部壓力，以使扣件或 螺釘不受到損壞。我們可以通過F l o w Simulation輸出壓力數值到Simulation(見圖11)。之后在Simulation中選擇 可使用的Flow Simulation結果文件，如圖12所示。這樣，就可以把流體分析的結果應用到靜態應力分析中來，如圖13 所示。通過應力分析，我們可以知道結 構的強度是否滿足條件(見圖14)， 哪些位置的材料是多余的，以及壁厚能 否再薄一些等，通過這些來減少生產成 本。當然，在有了應力結果之后，我們 同樣可以做優化分析和疲勞分析，這里就不做詳細的介紹。

　　五、結語

　　總 之 ， 通 過 S o l i d W o r k s 和Simulation、Flow Simulation的結合，讓普通的工程師也能使用產品分析驗證 工具，更高效地設計更好的產品，為企 業創造更多的利潤，增加企業在各種經濟條件下的競爭力。