關(guān)于CAE在家用電器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

李翔

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，CAE在家用電器中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文通過(guò)對(duì)CAE技術(shù)及其在家用電器開(kāi)發(fā)中應(yīng)用進(jìn)行分析，提出了CAE在家用電器實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題，以作交流。

【關(guān)鍵詞】CAE；家用電器；開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)；應(yīng)用研究

計(jì)算機(jī)輔助工程（ComputerAidedEngineering，簡(jiǎn)稱CAE）是采用虛擬分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品研發(fā)提供指南，為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供依據(jù)。CAE分析技術(shù)為技術(shù)人員提供了一種全新的設(shè)計(jì)方式，使設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)同步進(jìn)行，這就在根本上將技術(shù)人員從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中解脫出來(lái)，使他們有更多時(shí)間與精力考慮在產(chǎn)品的創(chuàng)新。CAE在家用電器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，主要內(nèi)容為工程校驗(yàn)、有限元分析及計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化；主要解決產(chǎn)品的性能質(zhì)量，進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、模擬態(tài)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、非線性、噪聲、氣動(dòng)彈性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等性能方面的分析和結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化工作。目前世界著名家用電器生產(chǎn)商已將CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于家用電器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，并解決了很多實(shí)際問(wèn)題。隨著在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用中的深入，CAE技術(shù)將會(huì)在家用電器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用發(fā)揮越來(lái)越大的作用。隨著CAE技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，每年很多著名的CAE軟件公司開(kāi)展空調(diào)器、冰箱等家用電器方面的應(yīng)用的專題研討會(huì)，這對(duì)提高設(shè)計(jì)人員素質(zhì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、促進(jìn)家用電器行業(yè)發(fā)展有著重要作用。

1.CAE在家用電器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的一般流程

家電產(chǎn)品的性能很多都屬于多物理場(chǎng)的耦合響應(yīng)，其性能設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化等工作涉及眾多的學(xué)科，如熱力學(xué)、聲學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、有限元技術(shù)（FEM）、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，是典型的綜合學(xué)科、交叉學(xué)科領(lǐng)域。雖然CAE分析經(jīng)常涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域技術(shù)，但是商業(yè)CAE軟件（如MSC.MARC、STAR-CD等）求解工程實(shí)際問(wèn)題時(shí)有一般工作流程。整個(gè)流程主要是將3-D幾何模型直接導(dǎo)入有限元分析軟件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界條件確定，材料參數(shù)輸入等后提交運(yùn)算分析，然后將分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比再修正模型，最終得到滿足分析要求的分析結(jié)果。將CAE分析技術(shù)應(yīng)用于家用電器產(chǎn)品的性能優(yōu)化，并最終能夠指導(dǎo)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常需要解決三個(gè)方面的問(wèn)題：首先要確定運(yùn)用CAE軟件能夠解決實(shí)際工程中存在的哪些問(wèn)題，并且能夠正確地建立與這些問(wèn)題相對(duì)應(yīng)的物理模型；其次要明確仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，即與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相吻合程度；最后，在確定了仿真結(jié)果可信的基礎(chǔ)上才能對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行專業(yè)化分析，指出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，并提出改進(jìn)的建議或方案。在這些環(huán)節(jié)中，如何以最少的時(shí)間生成高質(zhì)量的網(wǎng)格是非常重要的，這不僅僅是因?yàn)樵谡麄€(gè)CAE求解過(guò)程中建立有限體積網(wǎng)格模型是用戶耗時(shí)最多的一個(gè)環(huán)節(jié)，而且還在于網(wǎng)格質(zhì)量的高低直接影響計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果的精度。因此，開(kāi)發(fā)高度自動(dòng)化、幾何參數(shù)驅(qū)動(dòng)的可控網(wǎng)格生成器一直是商業(yè)CAE軟件奮斗的目標(biāo)之一。

2.CAE在家用電器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

作為產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)、分析、仿真的基本工具，CAE所涉及的分析仿真非常廣泛，可為家電企業(yè)提供大量的技術(shù)解決方案。主要應(yīng)用方向有結(jié)構(gòu)分析、流體力學(xué)分析、噪聲研究、疲勞分析、熱分析、跌落、碰撞分析和加工工藝性分析等七個(gè)方面。

2.1結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中最基本，最重要的環(huán)節(jié)，主要包括零部件及整機(jī)在各種工況下的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、動(dòng)力特性、熱特性、非線性、靈敏度、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等仿真分析，利用可視化的有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品進(jìn)行分析，技術(shù)人員可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中直觀、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)零部件和整機(jī)在各種載荷下的工作狀態(tài)。除極少數(shù)的企業(yè)外，目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)的家電企業(yè)都缺少這一環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)分析方面國(guó)際上著名、最通行的軟件是美國(guó)MSC公司的NASTRAN軟件，此外，還有ANSYS公司的ANSYS等軟件。

2.2流體力學(xué)分析

計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，簡(jiǎn)稱CFD）是制冷、家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的問(wèn)題，空氣和其他流體的流動(dòng)直接導(dǎo)致流動(dòng)噪聲，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷不僅會(huì)增大產(chǎn)品的運(yùn)行噪聲，同時(shí)還會(huì)降低產(chǎn)品的工作效率，增大能耗。除了MSC.CFD軟件外，目前國(guó)外流行的CFD軟件還有CDL公司的STAR-CD；近年發(fā)展最快、功能最全面的CFD軟件當(dāng)屬美國(guó)Fluent公司的Fluent軟件，此外還有英國(guó)AEA公司的CFX軟件等。通過(guò)上述軟件可以幫助工程技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)上真實(shí)地模擬流場(chǎng)分布情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。目前已開(kāi)始在國(guó)內(nèi)空調(diào)器、冰箱上的應(yīng)用。

2.3噪聲研究

凡是具有運(yùn)動(dòng)可見(jiàn)的產(chǎn)品都存在振動(dòng)和噪聲的問(wèn)題，多數(shù)的家電產(chǎn)品也都存在噪聲問(wèn)題，噪聲是衡量家電產(chǎn)品性能的一個(gè)重要指標(biāo)。隨著人們對(duì)環(huán)境的要求不斷提高，噪聲指標(biāo)作為法規(guī)條款也會(huì)不斷提高。家電產(chǎn)品的噪聲主要來(lái)源于結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣流動(dòng)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)方面的缺陷將直接增大產(chǎn)品的運(yùn)行噪聲。通過(guò)結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)的詳細(xì)分析，可以準(zhǔn)確地識(shí)別主要噪聲的來(lái)源及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部位，進(jìn)而可以獲得進(jìn)一步改進(jìn)的措施與方法。為了降低產(chǎn)品噪聲，先要對(duì)結(jié)構(gòu)特性和流動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，如結(jié)構(gòu)靜力特性、動(dòng)力特性、模態(tài)、流場(chǎng)、流固耦合等，并進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在噪聲分析中，分析冰箱振動(dòng)模態(tài)是很重要的一個(gè)工作內(nèi)容，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)避免結(jié)構(gòu)共振而產(chǎn)生大的噪聲。

2.4疲勞壽命分析

由于家電產(chǎn)品要在各種復(fù)雜的載荷環(huán)境中工作，因而需要對(duì)零件和整機(jī)的壽命進(jìn)行分析，為保證產(chǎn)品具有最佳的經(jīng)濟(jì)成本，還需要進(jìn)行壽命等設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)耐久性仿真技術(shù)已相當(dāng)成熟，最具代表性的主導(dǎo)仿真軟件如MSC.FATIGUE軟件，可進(jìn)行初始裂紋分析、裂紋增長(zhǎng)分析、焊接壽命分析、全壽命分析、多軸疲勞計(jì)算、整體及局部壽命分析、疲勞優(yōu)化等，如通過(guò)MSC.FATIGUE可以仿真壓縮機(jī)由于加載所帶來(lái)的裂紋缺陷的擴(kuò)展情況和工作壽命，并已被國(guó)外各大家電及發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)采用。

2.5熱傳遞及熱應(yīng)力分析

家電產(chǎn)品中存在大量的熱分析問(wèn)題，據(jù)調(diào)查，50%以上的家用電子產(chǎn)品的失效是由于傳熱設(shè)計(jì)不當(dāng)所導(dǎo)致。目前絕大多數(shù)的開(kāi)發(fā)工程師仍采用既耗時(shí)成本又高的試驗(yàn)熱測(cè)試設(shè)備去檢驗(yàn)熱設(shè)計(jì)的合理性，制造物理樣機(jī)、安裝測(cè)試設(shè)備及傳感器、測(cè)試、數(shù)據(jù)處理分析等需要相當(dāng)長(zhǎng)的周期，而通過(guò)計(jì)算機(jī)建立產(chǎn)品的熱模型進(jìn)行模擬仿真分析則可很快、很方便地獲得產(chǎn)品熱性能方面的大量信息。在使用中，家用電器由于溫度不均勻性的影響，受約束機(jī)構(gòu)會(huì)因受熱應(yīng)力而引起變形，影響家用電器的外觀、性能，使產(chǎn)品報(bào)廢率提高，增加了冰箱的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品主要部件熱應(yīng)力及變形的分析預(yù)測(cè)，可以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出滿足剛度、強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，防止因?yàn)樵O(shè)計(jì)完成后報(bào)廢而帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.6跌落、碰撞分析

家電產(chǎn)品在運(yùn)輸、使用中會(huì)發(fā)生跌落、碰撞的情況，產(chǎn)品必須具有一定的承受能力。批量生產(chǎn)前必須進(jìn)行樣機(jī)耐跌落、碰撞試驗(yàn)。樣機(jī)試驗(yàn)當(dāng)然是非常有效、必要的手段，但是成本昂貴，周期長(zhǎng)，且必須在產(chǎn)品制造實(shí)現(xiàn)之后才能進(jìn)行。CAE仿真技術(shù)為跌落、碰撞研究提供更為有效的方法，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段即可實(shí)施。具有代表性的跌落、碰撞仿真分析軟件有MSC.DYTRAN，主要用于求解高度非線性的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)、固體、流體、流固耦合等問(wèn)題，已廣泛應(yīng)用于家電的碰撞、沖擊、安全防護(hù)等領(lǐng)域。

2.7加工工藝性

家電產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到成品要經(jīng)過(guò)多種工藝環(huán)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到制造成本和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)外家電企業(yè)在產(chǎn)（下轉(zhuǎn)第202頁(yè)）（上接第48頁(yè)）品設(shè)計(jì)階段就大量利用計(jì)算機(jī)仿真其產(chǎn)品的加工工藝性。常用的加工手段有：注塑、沖壓、鑄造、機(jī)械加工等，其中機(jī)械加工在模擬在CAD/CAM系統(tǒng)中（如EDS.Unigraphics）已有普遍應(yīng)用。這里主要是指注塑、沖壓、鑄造、鍛壓方面的計(jì)算機(jī)仿真。家電產(chǎn)品大量使用塑料材料并采用注塑技術(shù)，如果設(shè)計(jì)稍有不合理之處就會(huì)造成較高的加工報(bào)廢率，而且修改設(shè)計(jì)將會(huì)增加設(shè)計(jì)周期，提高生產(chǎn)成本。為了緩解和解決這一矛盾，人們已經(jīng)開(kāi)始更多利用MSC.MARC軟件，在設(shè)計(jì)階段直接進(jìn)行注塑過(guò)程模擬。

3.結(jié)論

總之，通過(guò)引進(jìn)和廣泛采用CAE技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)化改進(jìn)，使產(chǎn)品具有良好的靜態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能、較高的可靠性、最低的經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)大大縮短設(shè)計(jì)周期，改變目前產(chǎn)品要在投入大量的資金、產(chǎn)品開(kāi)模生產(chǎn)出來(lái)后才能發(fā)現(xiàn)缺陷、反復(fù)修改的被動(dòng)落后局面，將產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從CAD/CAM階段提升為更高層次的CAE階段，通過(guò)CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的集成化，在實(shí)際產(chǎn)品制造實(shí)現(xiàn)之前就可以完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程的全面仿真、分析，形成“數(shù)字化產(chǎn)品”，逐步進(jìn)入虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造、敏捷制造的更高層次。