计算机仿真技术在水龙头结构优化设计中的应用

（厦门城市职业学院 福建厦门 361008）

引言

目前传统的水龙头方案设计过程中，一般分为产品设计、样机制作、产品测试、产品修改及定型这四个主要阶段，如果产品测试不和格（主要是流量和试水、压力等项目），就得修改设计，然后重新制作样品，再进行测试，这样导致产品设计周期大大延长。将Flow Simulation这一计算机仿真技术应用于水龙头产品的开发设计过程中，借助计算机分析计算，可以确保产品设计的合理性，减少样机制作和设计修改的成本；缩短设计周期；模拟各种试验方案，减少试验时间和经费。随着Flow Simulation这一计算机仿真技术的不断发展和完善，其在水龙头结构设计中的应用也越来越普遍。[1]

一、计算机仿真技术系统三要素

计算机仿真技术是以数学理论为基础，利用系统模型对实际系统或设想的系统进行仿真研究的一门综合技术。对于需要研究的对象，计算机一般是不能直接认知和处理的，这就要求为之建立一个既能反映所研究对象的实质，又易于被计算机处理的数学模型。系统、数学模型和计算机共同组成了计算机仿真技术系统。[2]

系统是对所研究的对象在某些特定方面的抽象，突出其主要性质，忽略其次要性质；数学模型将研究对象的实质抽象出来，计算机再来处理这些经过抽象的数学模型，并通过输出这些模型的相关数据来展现研究对象的某些特质。[3]

二、Flow Simulation计算机仿真技术在水龙头产品中的应用

Flow simulation属于CFD仿真系统，可用于计算流体力学的仿真，与SolidWorks集成在一起，设计师可以在同一界面下对SolidWorks的三维模型直接进行流体仿真。一般计算机仿真的实现分为四个主要步骤：模型的建立、使用“向导”创建分析项目、输入数据、进行仿真分析并得到结果。

1．模型的建立

做流体仿真首先要精简水龙头三维模型。在不影响模型精度的前提下，尽量简化模型，减少产品上的一些不重要的特征，隐藏水龙头装配体里与仿真要求不相关的手柄、填密、填密螺母等零件。在Flow simulation仿真系统中，流体被分为内流和外流两种，本水龙头仿真项目采用外流分析类型。

2．使用“向导”创建分析项目

可以跟着“向导”设置一些重要选项：单位制、分析类型（包括内流外流）的指定、固体零件是否传热、是否瞬态、默认流体是什么、默认固体是什么、初始条件。作为水龙头的仿真项目，单位系统采用国际标准，分析类型设置为外流，固体零件是是绝热的，不考虑瞬态，默认流体是水，流动类型设置成层流和湍流，初始条件为一个大气压。

3．输入数据

在使用“向导”建立项目后，输入数据。主要包括有以下几种：计算域、流体子域、组件控制、边界条件、移动边界条件、初始条件等。计算域：即需要计算的区域范围。本水龙头项目属于外流分析，区域会自动远离模型一段距离，域的设置要综合考虑计算时间、计算精度等因素。如果遇到轴对称或平面对称的情况，计算域只取1/2或1/4。流体子域：当既有内流又有外流时，仿真项目需要定义流体子域。本项目只需要考虑管道里的水流动及流出后的一定计算域，所以流体子域不用设置。组件控制：可禁用与仿真项目无关的手柄等零部件，用于细化网格。边界条件：常用边界条件包括：流动进口边界，流动出口边界，给定压力边界，壁面边界，对称边界，周期性（循环）边界。

4．仿真分析结果

通过Flow simulation分析，可以得到水流的流动轨迹，也可以渲染成动画。水流的流动轨迹提供了一个非常好的3D流体流动的图像，可以用于测试水从水龙头流出的形状是否符合设计要求，水流落到水槽后溅起的水珠的轨迹可以测试出水流的速度和压力是否符合设计规范。动画：各种切面图和流动轨迹都可以以动画的形式显示，并可以保存为avi文件，可以很直观地显示出水流的状况，从而反映出水龙头内部结构的设计是否合理。[4]

结语

通过以上对Flow simulation计算机仿真技术的应用，可以看出计算机仿真技术在水龙头结构设计中的重要性，把水龙头流出的水流这一复杂的现象用计算机仿真技术模拟再现，对设计方案进行对比与验证，从而达到用较短的时间找出最优的设计方案，同时还提高了产品质量，节约了产品的成本。[5]