關(guān)于CAE在家用電器開發(fā)設(shè)計中的應(yīng)用研究

李翔

【摘 要】隨著計算機智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，CAE在家用電器中的應(yīng)用越來越廣泛。本文通過對CAE技術(shù)及其在家用電器開發(fā)中應(yīng)用進行分析，提出了CAE在家用電器實際應(yīng)用中應(yīng)注意的一些問題，以作交流。

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

計算機輔助工程（ComputerAidedEngineering，簡稱CAE）是采用虛擬分析方法對結(jié)構(gòu)的性能進行模擬，預(yù)測結(jié)構(gòu)的性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為產(chǎn)品研發(fā)提供指南，為解決實際工程問題提供依據(jù)。CAE分析技術(shù)為技術(shù)人員提供了一種全新的設(shè)計方式，使設(shè)計與性能預(yù)測同步進行，這就在根本上將技術(shù)人員從傳統(tǒng)的設(shè)計模式中解脫出來，使他們有更多時間與精力考慮在產(chǎn)品的創(chuàng)新。CAE在家用電器產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用，主要內(nèi)容為工程校驗、有限元分析及計算機仿真優(yōu)化；主要解決產(chǎn)品的性能質(zhì)量，進行各種結(jié)構(gòu)的強度、剛度、模擬態(tài)、動力學、熱力學、非線性、噪聲、氣動彈性、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)用于家用電器的開發(fā)設(shè)計中，并解決了很多實際問題。隨著在產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用中的深入，CAE技術(shù)將會在家用電器的開發(fā)應(yīng)用發(fā)揮越來越大的作用。隨著CAE技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，每年很多著名的CAE軟件公司開展空調(diào)器、冰箱等家用電器方面的應(yīng)用的專題研討會，這對提高設(shè)計人員素質(zhì)和產(chǎn)品設(shè)計水平、促進家用電器行業(yè)發(fā)展有著重要作用。

1.CAE在家用電器開發(fā)設(shè)計中應(yīng)用的一般流程

家電產(chǎn)品的性能很多都屬于多物理場的耦合響應(yīng)，其性能設(shè)計、分析、優(yōu)化等工作涉及眾多的學科，如熱力學、聲學、結(jié)構(gòu)動力學、空氣動力學、有限元技術(shù)（FEM）、計算流體力學（CFD）、計算機技術(shù)等，是典型的綜合學科、交叉學科領(lǐng)域。雖然CAE分析經(jīng)常涉及多學科、多領(lǐng)域技術(shù)，但是商業(yè)CAE軟件（如MSC.MARC、STAR-CD等）求解工程實際問題時有一般工作流程。整個流程主要是將3-D幾何模型直接導(dǎo)入有限元分析軟件并進行網(wǎng)格劃分，邊界條件確定，材料參數(shù)輸入等后提交運算分析，然后將分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比再修正模型，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)計通常需要解決三個方面的問題：首先要確定運用CAE軟件能夠解決實際工程中存在的哪些問題，并且能夠正確地建立與這些問題相對應(yīng)的物理模型；其次要明確仿真計算結(jié)果的準確性，即與實驗結(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)上才能對仿真結(jié)果進行專業(yè)化分析，指出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中存在的問題，并提出改進的建議或方案。在這些環(huán)節(jié)中，如何以最少的時間生成高質(zhì)量的網(wǎng)格是非常重要的，這不僅僅是因為在整個CAE求解過程中建立有限體積網(wǎng)格模型是用戶耗時最多的一個環(huán)節(jié)，而且還在于網(wǎng)格質(zhì)量的高低直接影響計算時間和計算結(jié)果的精度。因此，開發(fā)高度自動化、幾何參數(shù)驅(qū)動的可控網(wǎng)格生成器一直是商業(yè)CAE軟件奮斗的目標之一。

2.CAE在家用電器開發(fā)設(shè)計中的應(yīng)用

作為產(chǎn)品性能設(shè)計、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方面。

2.1結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析是產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中最基本，最重要的環(huán)節(jié)，主要包括零部件及整機在各種工況下的強度、剛度、模態(tài)、動力特性、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設(shè)計好的產(chǎn)品進行分析，技術(shù)人員可以在設(shè)計過程中直觀、準確地預(yù)測零部件和整機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)分析方面國際上著名、最通行的軟件是美國MSC公司的NASTRAN軟件，此外，還有ANSYS公司的ANSYS等軟件。

2.2流體力學分析

計算流體力學（ComputationalFluidDynamics，簡稱CFD）是制冷、家電產(chǎn)品設(shè)計過程中非常重要的問題，空氣和其他流體的流動直接導(dǎo)致流動噪聲，結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷不僅會增大產(chǎn)品的運行噪聲，同時還會降低產(chǎn)品的工作效率，增大能耗。除了MSC.CFD軟件外，目前國外流行的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軟件當屬美國Fluent公司的Fluent軟件，此外還有英國AEA公司的CFX軟件等。通過上述軟件可以幫助工程技術(shù)人員在計算機上真實地模擬流場分布情況，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。目前已開始在國內(nèi)空調(diào)器、冰箱上的應(yīng)用。

2.3噪聲研究

凡是具有運動可見的產(chǎn)品都存在振動和噪聲的問題，多數(shù)的家電產(chǎn)品也都存在噪聲問題，噪聲是衡量家電產(chǎn)品性能的一個重要指標。隨著人們對環(huán)境的要求不斷提高，噪聲指標作為法規(guī)條款也會不斷提高。家電產(chǎn)品的噪聲主要來源于結(jié)構(gòu)振動和空氣流動，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性設(shè)計方面的缺陷將直接增大產(chǎn)品的運行噪聲。通過結(jié)構(gòu)特性設(shè)計的詳細分析，可以準確地識別主要噪聲的來源及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部位，進而可以獲得進一步改進的措施與方法。為了降低產(chǎn)品噪聲，先要對結(jié)構(gòu)特性和流動特性進行仿真分析，如結(jié)構(gòu)靜力特性、動力特性、模態(tài)、流場、流固耦合等，并進行相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在噪聲分析中，分析冰箱振動模態(tài)是很重要的一個工作內(nèi)容，在產(chǎn)品設(shè)計中應(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，因而需要對零件和整機的壽命進行分析，為保證產(chǎn)品具有最佳的經(jīng)濟成本，還需要進行壽命等設(shè)計。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，計算機耐久性仿真技術(shù)已相當成熟，最具代表性的主導(dǎo)仿真軟件如MSC.FATIGUE軟件，可進行初始裂紋分析、裂紋增長分析、焊接壽命分析、全壽命分析、多軸疲勞計算、整體及局部壽命分析、疲勞優(yōu)化等，如通過MSC.FATIGUE可以仿真壓縮機由于加載所帶來的裂紋缺陷的擴展情況和工作壽命，并已被國外各大家電及發(fā)動機企業(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)計不當所導(dǎo)致。目前絕大多數(shù)的開發(fā)工程師仍采用既耗時成本又高的試驗熱測試設(shè)備去檢驗熱設(shè)計的合理性，制造物理樣機、安裝測試設(shè)備及傳感器、測試、數(shù)據(jù)處理分析等需要相當長的周期，而通過計算機建立產(chǎn)品的熱模型進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，受約束機構(gòu)會因受熱應(yīng)力而引起變形，影響家用電器的外觀、性能，使產(chǎn)品報廢率提高，增加了冰箱的開發(fā)費用。通過對產(chǎn)品主要部件熱應(yīng)力及變形的分析預(yù)測，可以開發(fā)設(shè)計出滿足剛度、強度的結(jié)構(gòu)，防止因為設(shè)計完成后報廢而帶來更大的經(jīng)濟損失。

2.6跌落、碰撞分析

家電產(chǎn)品在運輸、使用中會發(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)前必須進行樣機耐跌落、碰撞試驗。樣機試驗當然是非常有效、必要的手段，但是成本昂貴，周期長，且必須在產(chǎn)品制造實現(xiàn)之后才能進行。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)計階段即可實施。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)動力學、固體、流體、流固耦合等問題，已廣泛應(yīng)用于家電的碰撞、沖擊、安全防護等領(lǐng)域。

2.7加工工藝性

家電產(chǎn)品從設(shè)計到成品要經(jīng)過多種工藝環(huán)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量直接關(guān)系到制造成本和市場競爭力，國外家電企業(yè)在產(chǎn)（下轉(zhuǎn)第202頁）（上接第48頁）品設(shè)計階段就大量利用計算機仿真其產(chǎn)品的加工工藝性。常用的加工手段有：注塑、沖壓、鑄造、機械加工等，其中機械加工在模擬在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、鍛壓方面的計算機仿真。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)計稍有不合理之處就會造成較高的加工報廢率，而且修改設(shè)計將會增加設(shè)計周期，提高生產(chǎn)成本。為了緩解和解決這一矛盾，人們已經(jīng)開始更多利用MSC.MARC軟件，在設(shè)計階段直接進行注塑過程模擬。

3.結(jié)論

總之，通過引進和廣泛采用CAE技術(shù)，可以在設(shè)計環(huán)節(jié)就對設(shè)計方案進行詳細的仿真分析、評價和優(yōu)化改進，使產(chǎn)品具有良好的靜態(tài)性能、動態(tài)性能、較高的可靠性、最低的經(jīng)濟成本，同時大大縮短設(shè)計周期，改變目前產(chǎn)品要在投入大量的資金、產(chǎn)品開模生產(chǎn)出來后才能發(fā)現(xiàn)缺陷、反復(fù)修改的被動落后局面，將產(chǎn)品開發(fā)從CAD/CAM階段提升為更高層次的CAE階段，通過CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的集成化，在實際產(chǎn)品制造實現(xiàn)之前就可以完成產(chǎn)品設(shè)計制造過程的全面仿真、分析，形成“數(shù)字化產(chǎn)品”，逐步進入虛擬設(shè)計、虛擬制造、敏捷制造的更高層次。