关于CAE在家用电器开发设计中的应用研究

【摘 要】随着计算机智能化技术的不断发展，CAE在家用电器中的应用越来越广泛。本文通过对CAE技术及其在家用电器开发中应用进行分析，提出了CAE在家用电器实际应用中应注意的一些问题，以作交流。

【关键词】CAE；家用电器；开发设计；应用研究

计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，简称CAE）是采用虚拟分析方法对结构的性能进行模拟，预测结构的性能，优化结构的设计，为产品研发提供指南，为解决实际工程问题提供依据。CAE分析技术为技术人员提供了一种全新的设计方式，使设计与性能预测同步进行，这就在根本上将技术人员从传统的设计模式中解脱出来，使他们有更多时间与精力考虑在产品的创新。CAE在家用电器产品开发设计中有着广泛的应用，主要内容为工程校验、有限元分析及计算机仿真优化；主要解决产品的性能质量，进行各种结构的强度、刚度、模拟态、动力学、热力学、非线性、噪声、气动弹性、结构优化等性能方面的分析和结构仿真优化工作。目前世界著名家用电器生产商已将CAE技术广泛应用于家用电器的开发设计中，并解决了很多实际问题。随着在产品开发应用中的深入，CAE技术将会在家用电器的开发应用发挥越来越大的作用。随着CAE技术应用越来越广泛，每年很多著名的CAE软件公司开展空调器、冰箱等家用电器方面的应用的专题研讨会，这对提高设计人员素质和产品设计水平、促进家用电器行业发展有着重要作用。

1.CAE在家用电器开发设计中应用的一般流程

家电产品的性能很多都属于多物理场的耦合响应，其性能设计、分析、优化等工作涉及众多的学科，如热力学、声学、结构动力学、空气动力学、有限元技术（FEM）、计算流体力学（CFD）、计算机技术等，是典型的综合学科、交叉学科领域。虽然CAE分析经常涉及多学科、多领域技术，但是商业CAE软件（如MSC.MARC、STAR-CD等）求解工程实际问题时有一般工作流程。整个流程主要是将3-D几何模型直接导入有限元分析软件并进行网格划分，边界条件确定，材料参数输入等后提交运算分析，然后将分析结果与试验数据对比再修正模型，最终得到满足分析要求的分析结果。将CAE分析技术应用于家用电器产品的性能优化，并最终能够指导新产品设计通常需要解决三个方面的问题：首先要确定运用CAE软件能够解决实际工程中存在的哪些问题，并且能够正确地建立与这些问题相对应的物理模型；其次要明确仿真计算结果的准确性，即与实验结果的相吻合程度；最后，在确定了仿真结果可信的基础上才能对仿真结果进行专业化分析，指出产品结构中存在的问题，并提出改进的建议或方案。在这些环节中，如何以最少的时间生成高质量的网格是非常重要的，这不仅仅是因为在整个CAE求解过程中建立有限体积网格模型是用户耗时最多的一个环节，而且还在于网格质量的高低直接影响计算时间和计算结果的精度。因此，开发高度自动化、几何参数驱动的可控网格生成器一直是商业CAE软件奋斗的目标之一。

2.CAE在家用电器开发设计中的应用

作为产品性能设计、分析、仿真的基本工具，CAE所涉及的分析仿真非常广泛，可为家电企业提供大量的技术解决方案。主要应用方向有结构分析、流体力学分析、噪声研究、疲劳分析、热分析、跌落、碰撞分析和加工工艺性分析等七个方面。

2.1结构分析

结构分析是产品开发设计过程中最基本，最重要的环节，主要包括零部件及整机在各种工况下的强度、刚度、模态、动力特性、热特性、非线性、灵敏度、结构优化等仿真分析，利用可视化的有限元分析软件对设计好的产品进行分析，技术人员可以在设计过程中直观、准确地预测零部件和整机在各种载荷下的工作状态。除极少数的企业外，目前国内外大多数的家电企业都缺少这一环节。结构分析方面国际上著名、最通行的软件是美国MSC公司的NASTRAN软件，此外，还有ANSYS公司的ANSYS等软件。

2.2流体力学分析

计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）是制冷、家电产品设计过程中非常重要的问题，空气和其他流体的流动直接导致流动噪声，结构设计的缺陷不仅会增大产品的运行噪声，同时还会降低产品的工作效率，增大能耗。除了MSC.CFD软件外，目前国外流行的CFD软件还有CDL公司的STAR-CD；近年发展最快、功能最全面的CFD软件当属美国Fluent公司的Fluent软件，此外还有英国AEA公司的CFX软件等。通过上述软件可以帮助工程技术人员在计算机上真实地模拟流场分布情况，对结构进行优化。目前已开始在国内空调器、冰箱上的应用。

2.3噪声研究

凡是具有运动可见的产品都存在振动和噪声的问题，多数的家电产品也都存在噪声问题，噪声是衡量家电产品性能的一个重要指标。随着人们对环境的要求不断提高，噪声指标作为法规条款也会不断提高。家电产品的噪声主要来源于结构振动和空气流动，产品结构特性设计方面的缺陷将直接增大产品的运行噪声。通过结构特性设计的详细分析，可以准确地识别主要噪声的来源及相应的结构部位，进而可以获得进一步改进的措施与方法。为了降低产品噪声，先要对结构特性和流动特性进行仿真分析，如结构静力特性、动力特性、模态、流场、流固耦合等，并进行相关的结构优化。在噪声分析中，分析冰箱振动模态是很重要的一个工作内容，在产品设计中应避免结构共振而产生大的噪声。

2.4疲劳寿命分析

由于家电产品要在各种复杂的载荷环境中工作，因而需要对零件和整机的寿命进行分析，为保证产品具有最佳的经济成本，还需要进行寿命等设计。经过近二十年的发展，计算机耐久性仿真技术已相当成熟，最具代表性的主导仿真软件如MSC.FATIGUE软件，可进行初始裂纹分析、裂纹增长分析、焊接寿命分析、全寿命分析、多轴疲劳计算、整体及局部寿命分析、疲劳优化等，如通过MSC.FATIGUE可以仿真压缩机由于加载所带来的裂纹缺陷的扩展情况和工作寿命，并已被国外各大家电及发动机企业采用。

2.5热传递及热应力分析

家电产品中存在大量的热分析问题，据调查，50%以上的家用电子产品的失效是由于传热设计不当所导致。目前绝大多数的开发工程师仍采用既耗时成本又高的试验热测试设备去检验热设计的合理性，制造物理样机、安装测试设备及传感器、测试、数据处理分析等需要相当长的周期，而通过计算机建立产品的热模型进行模拟仿真分析则可很快、很方便地获得产品热性能方面的大量信息。在使用中，家用电器由于温度不均匀性的影响，受约束机构会因受热应力而引起变形，影响家用电器的外观、性能，使产品报废率提高，增加了冰箱的开发费用。通过对产品主要部件热应力及变形的分析预测，可以开发设计出满足刚度、强度的结构，防止因为设计完成后报废而带来更大的经济损失。

2.6跌落、碰撞分析

家电产品在运输、使用中会发生跌落、碰撞的情况，产品必须具有一定的承受能力。批量生产前必须进行样机耐跌落、碰撞试验。样机试验当然是非常有效、必要的手段，但是成本昂贵，周期长，且必须在产品制造实现之后才能进行。CAE仿真技术为跌落、碰撞研究提供更为有效的方法，在产品的设计阶段即可实施。具有代表性的跌落、碰撞仿真分析软件有MSC.DYTRAN，主要用于求解高度非线性的瞬态动力学、固体、流体、流固耦合等问题，已广泛应用于家电的碰撞、冲击、安全防护等领域。

2.7加工工艺性

家电产品从设计到成品要经过多种工艺环节，产品设计的质量直接关系到制造成本和市场竞争力，国外家电企业在产（下转第202页）（上接第48页）品设计阶段就大量利用计算机仿真其产品的加工工艺性。常用的加工手段有：注塑、冲压、铸造、机械加工等，其中机械加工在模拟在CAD/CAM系统中（如EDS.Unigraphics）已有普遍应用。这里主要是指注塑、冲压、铸造、锻压方面的计算机仿真。家电产品大量使用塑料材料并采用注塑技术，如果设计稍有不合理之处就会造成较高的加工报废率，而且修改设计将会增加设计周期，提高生产成本。为了缓解和解决这一矛盾，人们已经开始更多利用MSC.MARC软件，在设计阶段直接进行注塑过程模拟。

3.结论

总之，通过引进和广泛采用CAE技术，可以在设计环节就对设计方案进行详细的仿真分析、评价和优化改进，使产品具有良好的静态性能、动态性能、较高的可靠性、最低的经济成本，同时大大缩短设计周期，改变目前产品要在投入大量的资金、产品开模生产出来后才能发现缺陷、反复修改的被动落后局面，将产品开发从CAD/CAM阶段提升为更高层次的CAE阶段，通过CAD/CAE/CAM系统的集成化，在实际产品制造实现之前就可以完成产品设计制造过程的全面仿真、分析，形成“数字化产品”，逐步进入虚拟设计、虚拟制造、敏捷制造的更高层次。

推荐访问:开发 研究 设计 CAE