3D打印與流體仿真優(yōu)化技術的結(jié)合助力螺線管設計制造

作者：鄭倩倩
來源：安世亞太

關于增材制造-3D打印技術在發(fā)酵行業(yè)的應用，3D科學谷曾經(jīng)介紹過一種GE公司為啤酒釀造商設計的新型刀片，這款刀片采用3D打印技術制造，擁有特殊的內(nèi)部通道，能夠在切碎和攪打麥芽時將水注入其中。在這一應用中，GE利用類似于航空航天領域空氣動力學的專業(yè)知識將過濾和噴射過程的時間減少了近50％，這意味著啤酒釀造商可以在一天之內(nèi)將啤酒釀造量增加一倍。

無獨有偶，通過3D打印來提高空氣入流速度的技術在北京博碩德恒科技開發(fā)有限公司研發(fā)生產(chǎn)的空氣消泡技術-自動吞沫成套設備中也得到了應用。博碩德恒正在嘗試通過3D打印技術提高其設備中螺線管的吸沫能力。

博碩德恒科技的設備廣泛適用于生物好氧發(fā)酵并產(chǎn)生一般粘滯性氣泡的生產(chǎn)工藝中，而螺線管作為自動吞沫機的核心部件，由于內(nèi)部流通通道的復雜性和特殊性，采用傳統(tǒng)制造工藝難以滿足現(xiàn)代工藝對螺線管快速低成本研制的需求，而3D打印為螺線管的創(chuàng)新帶來了新的空間。

本期將完整地展示了安世亞太基于流體優(yōu)化仿真技術進行螺線管優(yōu)化設計的分析流程及方法（如圖1所示）。

圖1 螺線管的優(yōu)化設計流程

在本文的案例中，先是基于螺線管原始設計對螺線管進行幾何建模并參數(shù)化，然后通過流體仿真軟件獲得氣流在螺線管內(nèi)的流動情況，并利用參數(shù)優(yōu)化軟件完成對螺線管的設計參數(shù)優(yōu)化，最后通過增材制造技術生產(chǎn)得到優(yōu)化后的螺線管。

研究對象及目標
本文以某種規(guī)格螺線管作為分析對象，其原始設計結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過流體仿真分析，獲得空氣通過螺線管后的射流速度，并通過優(yōu)化螺線管的幾何結(jié)構(gòu)，提高空氣入流速度以及吸沫口內(nèi)外壓力差，進而提高螺線管的吸沫能力。

圖2 某規(guī)格螺線管原始設計

參數(shù)化建模
按照螺線管的原始結(jié)構(gòu)所建立的流體仿真用計算域如圖3所示，并對關注的幾何特征參數(shù)進行參數(shù)化，詳情可見表3.1。幾何特征的建模及參數(shù)化可通過ANSYS DesignModeler進入到后續(xù)仿真流程中。

圖3 流體仿真所用計算域

表3.1 可進行參數(shù)化的幾何特征參數(shù)

流場分析
利用流體仿真軟件ANSYS Fluent對螺線管進行流場分析，獲得在特定邊界與材料屬性下空氣在螺線管道內(nèi)的流動情況，得出管道入口的空氣進氣量和吸沫口內(nèi)外壓力差，并對管道入口的空氣進氣量和吸沫口內(nèi)外壓力差進行參數(shù)化，用于后續(xù)optiSLang的參數(shù)優(yōu)化。

空氣在原設計螺線管內(nèi)的流動情況，如圖4所示。從圖中可以看出，螺線管入口的空氣流速為485m/s，而吸沫口內(nèi)外壓力差為5.255KPa。

圖4 空氣在原設計螺線管內(nèi)的速度和壓力分布情況

優(yōu)化設計
采用optiSLang對螺線管的幾何特征參數(shù)進行優(yōu)化設計，其目標是使得所設計的螺線管在給定壓力條件下，管道入口的空氣進氣量最大，吸沫口內(nèi)外壓力差最大。

該優(yōu)化設計過程分為三步，第一步是參數(shù)敏感性分析，即尋找對設計目標和約束最敏感（即最重要）的設計參數(shù)，并對設計目標和約束進行響應面的擬合，生成高質(zhì)量的響應面，用于后續(xù)的優(yōu)化分析。本案例的參數(shù)敏感性分析結(jié)果見圖5，通過分析，發(fā)現(xiàn)螺旋數(shù)和螺旋葉片數(shù)量對設計目標和約束最敏感。

圖5 參數(shù)敏感性分析結(jié)果

第二步是根據(jù)參數(shù)敏感性分析得到的設計參數(shù)空間和響應面函數(shù)（MOP）進行優(yōu)化分析。通過定義優(yōu)化目標、約束條件以及設定優(yōu)化算法，并基于第一步得到的高質(zhì)量響應面函數(shù)（MOP），可以進行快速進行優(yōu)化設計，節(jié)省大量時間�？焖賰�(yōu)化分析結(jié)果如圖6所示，由此獲得在特定目標和約束條件下的最優(yōu)設計點。

圖6 MOP優(yōu)化分析結(jié)果

第三步是對第二步中獲得的最終優(yōu)化設計進行驗證性分析�；�于快速優(yōu)化分析結(jié)果獲得最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并在ANSYS DesignModeler中更新螺線管結(jié)構(gòu)，如圖7所示，然后在ANSYS Fluent中進行驗證性分析，最終完成螺線管的優(yōu)化設計。

圖7 優(yōu)化后的螺線管結(jié)構(gòu)

空氣在優(yōu)化后螺線管內(nèi)的流動情況，如圖8所示。從圖中可以看出，螺線管入口的空氣流速為594m/s，而吸沫口內(nèi)外壓力差為32.641KPa。

圖8 空氣在優(yōu)化后螺線管內(nèi)的速度和壓力分布情況

通過對比螺線管優(yōu)化前后的空氣的流速和壓力分布發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后空氣進入螺線管的流量增加22%，而優(yōu)化后吸沫口內(nèi)外壓力差增大了5倍，螺線管的吸沫效果得到了顯著提高。

螺線管生產(chǎn)制造
采用增材制造技術生產(chǎn)得到的螺線管如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后螺線管的制造成品

總結(jié)
本文通過調(diào)用流體仿真軟件ANSYS Fluent和參數(shù)優(yōu)化軟件optiSLang，基于給定的約束條件和設計要求，對某規(guī)格螺線管結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，實現(xiàn)了滿足性能設計要求的螺線管結(jié)構(gòu)。通過上面的案例說明，流體仿真優(yōu)化技術可以應用于產(chǎn)品的優(yōu)化設計過程，從而提升產(chǎn)品性能、縮短產(chǎn)品設計周期、降低增材制造的生產(chǎn)成本。

3D打印-增材制造技術與傳統(tǒng)鑄造、加工工藝相比，可以在很大程度上實現(xiàn)免模具、免工裝、免加工，從而實現(xiàn)自由制造，有效解決復雜結(jié)構(gòu)的制造難題，使得多元化、個性化生產(chǎn)加工成為可能，這也大大減少了工藝的約束，為自由設計、創(chuàng)新設計提供了更大的可能性，因此，增材制造技術帶來了產(chǎn)品全新設計的理念，使得產(chǎn)品設計過程大大簡化，設計師可以在原來設計的基礎上進行大規(guī)模甚至顛覆性的設計改進，產(chǎn)品的開發(fā)成本與周期明顯縮短。

—作者—
鄭倩倩
天津大學化學工程專業(yè)博士，10年CAE行業(yè)研究與應用經(jīng)驗，擅長多相流、燃燒反應、傳熱分析等多個領域的仿真分析，參與并完成國內(nèi)外多項仿真咨詢項目�，F(xiàn)為安世中德咨詢專家，主要從事流體仿真咨詢工作。