芻議洗碗機(jī)噴淋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

王松波

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計(jì)工作帶來了很大的便利，可將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并生成數(shù)據(jù)模型，便于分析方案中存在的問題，不斷進(jìn)行調(diào)整，以保障設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此，將洗碗機(jī)噴淋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行融合，可直觀展現(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的缺陷，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整與完善，能保障優(yōu)化效果，提高洗碗機(jī)的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：洗碗機(jī)；噴淋結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.洗碗機(jī)噴淋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要解決的關(guān)鍵性問題是如何將工程的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型。解決這個(gè)問題必須要考慮哪些是設(shè)計(jì)變量，這些設(shè)計(jì)變量是否受到約束，這個(gè)問題所追求的結(jié)果又是什么，即在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程要確定目標(biāo)函數(shù)或者設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)的三個(gè)基本要素。

1.1設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量是在設(shè)計(jì)過程中選擇的需要調(diào)整的獨(dú)立參數(shù)，固定不變的要事先給定的參數(shù)稱為設(shè)計(jì)常量。設(shè)計(jì)變量的數(shù)目稱為優(yōu)化問題的維數(shù)，設(shè)計(jì)空間的維數(shù)同時(shí)也表征了設(shè)計(jì)的自由度，設(shè)計(jì)變量愈多，則設(shè)計(jì)的自由度愈大、可供選擇的方案愈多，設(shè)計(jì)愈靈活，但難度也愈大，求解也愈復(fù)雜。設(shè)計(jì)變量有連續(xù)變量和離散變量之分，大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)變量是連續(xù)變量，但也有一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)變量是離散型設(shè)計(jì)變量，如齒輪的模數(shù)、軸承的內(nèi)徑、彈簧的螺距等。對(duì)于離散型設(shè)計(jì)變量，目前通行的做法是在優(yōu)化過程中，先將這些離散型設(shè)計(jì)變量當(dāng)做連續(xù)變量來處理，待優(yōu)化過程結(jié)束后，再在所取得的最優(yōu)點(diǎn)附近援通過與其鄰近離散點(diǎn)的目標(biāo)值進(jìn)行比較，來確定最優(yōu)離散點(diǎn)。

1.2目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)又稱為評(píng)價(jià)函數(shù)，是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)和反映設(shè)計(jì)者追求產(chǎn)品最優(yōu)指標(biāo)的設(shè)計(jì)意圖，目標(biāo)函數(shù)表征的是設(shè)計(jì)的某項(xiàng)或者某些最重要的特征，如產(chǎn)品的重量、體積、剛度、變形、承載力、功耗、產(chǎn)量、成本、運(yùn)動(dòng)誤差、動(dòng)態(tài)特性或其他指標(biāo)等。優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要通過優(yōu)選設(shè)計(jì)變量使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到優(yōu)值。目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量值之間具有一定的函數(shù)關(guān)系，雖然這種關(guān)系并非一一對(duì)應(yīng)，但是一組已知的設(shè)計(jì)變量在設(shè)計(jì)空間還是唯一地確定了目標(biāo)函數(shù)的值和設(shè)計(jì)點(diǎn)。依據(jù)設(shè)計(jì)特征的數(shù)量，目標(biāo)函數(shù)可分為單目標(biāo)函數(shù)和多目標(biāo)函數(shù)兩類。由于單目標(biāo)函數(shù)所反映智僅是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中中多指標(biāo)的某一項(xiàng)，片面性和局限性很大，故在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題比較普遍。目標(biāo)函數(shù)愈多，考慮到的設(shè)計(jì)指標(biāo)就愈多，設(shè)計(jì)的綜合效果愈好，但是求解也更復(fù)雜。

1.3約束條件

目標(biāo)函數(shù)值取決于設(shè)計(jì)變量的變化，但這種變化并不是任意的自由變化，絕大部分實(shí)際問題的設(shè)計(jì)或多或少總要滿足一定的條件，而這些條件構(gòu)成了對(duì)設(shè)計(jì)變量取值的限制，稱為約束條件或約束函數(shù)。根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)變量取值的限制形式，約束條件可分為直接限制的顯約束和間接限制的隱約束。結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及自由尺寸和自由形狀優(yōu)化，這些方法被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)過程的各個(gè)階段。拓?fù)?、形貌和自由尺寸?yōu)化基于概念設(shè)計(jì)的思想，作為結(jié)果的設(shè)計(jì)參數(shù)還可以反饋給設(shè)計(jì)人員并作出適當(dāng)?shù)男薷暮驼{(diào)整，經(jīng)過設(shè)計(jì)人員修改過的設(shè)計(jì)方案可以再經(jīng)過更為細(xì)致的形狀、尺寸以及自由形狀優(yōu)化，從而得到更好的方案。

2.實(shí)例分析

2.1設(shè)計(jì)缺陷

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)工作采用了Fluent軟件，對(duì)現(xiàn)有的洗碗機(jī)噴淋結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、整合，并制成仿真模型，有利于對(duì)噴淋結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況進(jìn)行分析，如噴孔的角度、噴孔開口直徑、噴孔進(jìn)出水口的配水比值、噴孔的相對(duì)位置等，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供了數(shù)據(jù)支撐。利用Fluent軟件可生成水流速度矢量圖，直觀展現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。通過分析矢量圖可知，當(dāng)單管出口的數(shù)目增加后，各個(gè)出口管道都充滿了水，且出口處水流速度最大。但發(fā)現(xiàn)水流方向發(fā)生了改變，大多從右側(cè)出口流出來，主要是因?yàn)樗鞣较蚱谧筮叀Ｒ虼?，?dǎo)致左側(cè)出口水量較少，難以將碗碟清洗干凈，對(duì)洗碗機(jī)的工作效率造成了嚴(yán)重的影響。

2.2優(yōu)化方案

2.2.1優(yōu)化思路

現(xiàn)階段，我國(guó)現(xiàn)有的洗碗機(jī)噴淋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用了驅(qū)動(dòng)水泵技術(shù)，在電能的作用下，能為驅(qū)動(dòng)水泵提供動(dòng)力支撐，從而對(duì)洗滌水進(jìn)行加壓，使其從旋臂中噴射出來。當(dāng)噴射出來的水流與碗碟相接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能，將碗碟表面的污漬沖洗干凈。油漬、蛋白質(zhì)、淀粉的清除是洗碗粉中酶的作用，而酶的活化是需要在一定溫度下才能效果最大；洗滌泵加壓主要是保證對(duì)餐具表面的沖刷力。洗碗機(jī)殺菌是在高溫漂洗階段加熱到65℃以上持續(xù)20分鐘以上；洗碗機(jī)的洗滌用水的軟化是通過機(jī)器中的軟水器來實(shí)現(xiàn)的，因此，需要調(diào)整水流的出口角度、噴孔的相對(duì)排布、噴臂驅(qū)動(dòng)孔對(duì)噴臂轉(zhuǎn)速的影響；洗碗機(jī)的水量是有整個(gè)水路系統(tǒng)來決定的：最低耗水由管路的水耗及洗滌過程中洗滌水的回流速度來決定；清洗時(shí)間及時(shí)序的設(shè)定是通過對(duì)洗滌不同階段的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)的。另外，在新時(shí)期下，我國(guó)提出了建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2.2設(shè)計(jì)過程

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)上述問題進(jìn)行分析，明確優(yōu)化過程，以解決實(shí)際問題。例如，一是，噴淋結(jié)構(gòu)上共有5個(gè)出水口，為了解決水流偏移、機(jī)械能不足等問題，需要合理設(shè)計(jì)出水口的角度。對(duì)此，可按照從左至右的方式，第一個(gè)出水口傾斜角度為0°，并逐個(gè)增加5°，再利用Fluent軟件進(jìn)行檢測(cè)，能發(fā)現(xiàn)出水口集中偏移的問題基本解決。但還存在其他問題，由于出水口傾斜角度較大，存在水流向右偏移的問題。因此，要繼續(xù)對(duì)出水口傾斜角度進(jìn)行調(diào)整，保持第一個(gè)出水口為0°不變，第二個(gè)出水口傾斜角度為10°，且依次增加2.5°。利用Fluent軟件檢測(cè)可知，可實(shí)現(xiàn)垂直噴射清洗，能有效提高清洗效率，節(jié)約水資源。通過對(duì)比前后方案可知，原有的噴淋結(jié)構(gòu)存在明顯的水流集中偏移的問題，導(dǎo)致碗碟無法及時(shí)清洗干凈，需要進(jìn)行重復(fù)清洗。而在進(jìn)行第一次優(yōu)化時(shí)，出水口傾斜角度過大，導(dǎo)致水流出現(xiàn)向右偏移的問題，也無法清洗干凈。因此，在此基礎(chǔ)上調(diào)整傾斜角度，此時(shí)的清洗效果最佳。

結(jié)語

當(dāng)對(duì)洗碗機(jī)噴淋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要先明確各項(xiàng)變量因素，合理使用目標(biāo)函數(shù)來確定指標(biāo)，并為結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作限定條件，有利于保障優(yōu)化效率。同時(shí)，還需要對(duì)利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行仿真檢測(cè)，不斷進(jìn)行調(diào)整，以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，從而發(fā)揮洗碗機(jī)噴淋結(jié)構(gòu)的綜合效益價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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