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        跌落仿真技術(shù)在家電產(chǎn)品品質(zhì)提升中的應(yīng)用

        2023-10-28 02:37:38范正煉馬榮鑫宋暢
        家電科技 2023年4期
        關(guān)鍵詞:底殼洗碗機仿真技術(shù)

        范正煉 馬榮鑫 宋暢

        美的廚熱事業(yè)部 廣東佛山 528000

        0 引言

        家電市場競爭愈演愈烈,如何在更短的開發(fā)周期內(nèi),開發(fā)出成本更低、品質(zhì)更高的家電產(chǎn)品,一直都是各大家電企業(yè)研究的重點。一款新的家電產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計,以往主要是依靠結(jié)構(gòu)工程師的經(jīng)驗進行設(shè)計,通過實體產(chǎn)品的測試才能了解產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)可靠性,物理試驗是結(jié)構(gòu)工程師提出品質(zhì)提升方案的主要途徑。

        但是,工程經(jīng)驗結(jié)合物理試驗的設(shè)計方法,由于存在成本高,周期長,覆蓋工況少,無法過濾無效的迭代方案等局限性,越來越難以滿足家電行業(yè)快速發(fā)展的需求,這就需要我們拓寬思路,引入新的設(shè)計方法。

        近年來,隨著商業(yè)有限元軟件、計算機硬件技術(shù)的快速發(fā)展,大型復(fù)雜仿真模型的求解效率越來越高,使仿真技術(shù)應(yīng)用到家電產(chǎn)品開發(fā)成為了可能。通過仿真技術(shù),對產(chǎn)品進行虛擬的測試試驗,提前預(yù)判產(chǎn)品的失效風(fēng)險,給工程師提供了一種新的設(shè)計思路。

        跌落仿真技術(shù)的應(yīng)用,已有的研究工作有:樊建軍[3]等基于顯式動力學(xué)理論,對冰箱進行跌落仿真分析并提出優(yōu)化方案,優(yōu)化方案仿真計算結(jié)果顯示冰箱跌落沖擊加速度、發(fā)泡腿應(yīng)力以及壓縮機底板變形均小于原方案的跌落數(shù)據(jù);劉顯威[4]等利用CAE仿真技術(shù)對一款包裝存在過保護的分體室內(nèi)掛機進行仿真建模與運算,通過仿真對比結(jié)果與實測對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案對產(chǎn)品的保護效果更佳,產(chǎn)品品質(zhì)得到改善;劉國虬[5]對空調(diào)室外機結(jié)構(gòu)進行建模,并利用ABAQUS軟件中的動態(tài)計算模塊對空調(diào)室外機多種跌落過程進行了仿真分析,仿真結(jié)果表明,左支撐與右后板在跌落中容易發(fā)生塑性變形,同時比較了不同角度跌落對于室外機結(jié)構(gòu)的破壞程度。張鵬娥[6]等用LS-DYNA對空調(diào)內(nèi)機進行連續(xù)跌落仿真,并做出加速度標定,為建立更精準的跌落模型提供了解決方案。趙新偉[7]用abaqus對電熱水器進行跌落仿真,通過分析機器外殼及泡沫包裝的應(yīng)力應(yīng)變對包裝方案進行改進。

        從以上研究工作可以看出,研究者更多是從單一維度提出改善方案,同時,只做優(yōu)化前后方案的對比分析,缺少對于如何從包裝結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)出發(fā)提出綜合改善方案,如何通過失效分析給出下一輪的改善方案,通過迭代找出有效改善方案的研究。

        本文以某款帶包裝洗碗機整機為研究對象,建立其三維仿真模型,采用Radioss求解器對其進行冷凍跌落仿真分析,用材料常溫的屈服強度作為失效判據(jù)以近似材料冷凍變脆的性能,預(yù)測洗碗機在跌落過程中結(jié)構(gòu)存在的失效風(fēng)險。其中,冷凍跌落根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標準進行,將整機放入冷凍箱,溫度設(shè)置為-30℃,保持4個小時,取出后進行跌落測試試驗。結(jié)合仿真結(jié)果分析結(jié)構(gòu)產(chǎn)生失效風(fēng)險的原因,通過多輪仿真迭代優(yōu)化,從包裝結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)出發(fā),找出了有效的綜合改善方案。借助跌落仿真技術(shù),快速有效地提升了洗碗機產(chǎn)品的抗跌落性能。

        1 材料數(shù)據(jù)準備

        為了準確預(yù)測帶包裝洗碗機的抗跌落性能,對整機關(guān)鍵部件所用到的材料,如,鈑金件、塑料件、包裝緩沖件等進行了材料性能的測試試驗,同時,通過虛擬仿真模擬了材料性能測試試驗,對仿真材料本構(gòu)數(shù)據(jù)進行了對標。

        以洗碗機中最常用的鈑金件為例,采用LAW36(/MAT/PLAS_TAB)描述,LAW36可以以曲線的方式描述不同應(yīng)變率下材料的塑性力學(xué)行為。

        通過單軸拉伸試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)是工程應(yīng)力和工程應(yīng)變數(shù)據(jù),如果要在Radioss中定義材料的塑性段數(shù)據(jù),需要將工程應(yīng)力和工程應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成真實應(yīng)力和真實塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)[1],通過以下公式進行轉(zhuǎn)換:

        其中,σt為真實應(yīng)力,σnom為工程應(yīng)力,εt為真實應(yīng)變,εnom為工程應(yīng)變,εpl為真實塑性應(yīng)變;其中,真實應(yīng)變εt的換算公式為:

        本文采用HyperMesh對試件進行仿真建模,將處理好的材料數(shù)據(jù)輸入到仿真模型,并據(jù)此對試件進行虛擬的單軸拉伸試驗,如圖1所示,虛擬的單軸拉伸試驗得到的力-位移曲線與物理試驗得到的力-位移曲線可以很好吻合,證明了鈑金件材料本構(gòu)數(shù)據(jù)的準確性。具體材料參數(shù)如表1所示。

        表1 材料參數(shù)表

        圖1 SUS304金屬單軸拉伸試驗仿真與試驗力位移曲線對比

        2 產(chǎn)品概況與模型建立

        2.1 產(chǎn)品概況

        洗碗機主要由六大組件組成:外殼組件、門組件、內(nèi)膽組件、碗籃組件、水路系統(tǒng)和底盤組件。產(chǎn)品爆炸圖如圖2所示。

        圖2 洗碗機產(chǎn)品爆炸圖

        2.2 跌落模型建立

        本文采用前處理軟件HyperMesh進行建模,根據(jù)洗碗機各部件的受力特性進行單元選擇,鈑金件等薄壁結(jié)構(gòu)件采用殼單元模擬,單元類型為/SHELL單元;注塑件,EPS泡沫等非薄壁結(jié)構(gòu)件采用實體單元模擬,單元類型為/BRICK單元,或/TETRA10單元;跌落測試場景采用的地面是鋼板,采用剛體單元模擬,在柔性體的基礎(chǔ)上建立RBody。

        不考慮螺釘連接失效,在連接件之間建立剛體單元進行模擬,單元類型為/RBODY,不考慮焊接失效,在連接件之間建立焊縫或焊點單元進行模擬,單元類型為/SPRING。在跌落測試試驗中,螺釘連接和焊接一般是比較牢固的,在仿真中不考慮失效,是合理的。

        將整機包裝模型與剛性地面裝配在一起,建立整機跌落仿真模型,不同的跌落工況,整機保持位置不變,通過旋轉(zhuǎn)地面來實現(xiàn)位置裝配。跌落仿真分析的起點是整機剛接觸地面的時刻,從初始跌落高度到整機剛接觸地面這段時間是空程,在仿真分析中不予考慮。洗碗機的跌落仿真模型如圖3所示。

        圖3 洗碗機跌落仿真模型

        2.3 初始條件和邊界條件

        洗碗機保持不動,通過布置不同角度的地面,模擬不同的跌落工況,包括面跌、棱跌和角跌等。每個工況的初始速度大小根據(jù)跌落高度計算,其分量根據(jù)跌落工況的不同分解后施加??紤]重力加速度的影響,重力加速度的分量根據(jù)跌落工況的不同分解后施加;約束剛性地面參考點所有自由度。不同的跌落工況,具體如表2所示。

        3 帶包裝洗碗機整機冷凍跌落仿真及優(yōu)化

        3.1 顯示動力學(xué)理論

        在t時刻的動力學(xué)平衡方程[2]為:

        其中,M為質(zhì)量矩陣,C為阻尼矩陣,K為剛度矩陣,Ut為t時刻的位移矢量,為t時刻的速度矢量,為t時刻的加速度矢量,Rt為t時刻的外力矢量;

        通過泰勒展開,可以得到中心差分法一階和二階導(dǎo)數(shù)差分格式:

        聯(lián)立以上表達式,可以得到動力平衡方程的中心差分格式:

        通過以上方程式,結(jié)合邊界條件和初始條件,便可以進行迭代求解。

        本文采用Radioss顯示動力學(xué)求解器進行求解,不同的跌落采用不同的計算時間,面跌、棱跌和角跌的計算時間分別為30 ms,45 ms,75 ms,時間步長設(shè)置為0.00015 ms,部件之間的接觸采用TYPE7進行定義,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。

        3.2 仿真結(jié)果可信性分析

        3.2.1 包裝跌落計算時間充裕性判斷

        跌落仿真,首先關(guān)心的是計算時間內(nèi)是否已經(jīng)捕捉到了產(chǎn)品跌落過程中的最危險時刻。當機器充分接觸地面并且將要反彈的時候,為最危險時刻,在能量上的體現(xiàn)為動能最小。如果整機動能的歷史輸出曲線捕捉到了動能最小時刻,判斷計算時間充裕。

        3.2.2 質(zhì)量縮放合理性判斷

        顯示動力學(xué)仿真,需要完成成千上萬個增量步的計算,為了提高計算效率,一般會設(shè)置質(zhì)量縮放,但是,質(zhì)量縮放不能任意設(shè)置,否則可能導(dǎo)致仿真結(jié)果不可信。在工程上一般認為,整機增加的質(zhì)量與整機的原始質(zhì)量之比小于5%,仿真結(jié)果是可信的。

        3.2.3 沙漏控制合理性判斷

        為了避免完全積分單元產(chǎn)生的剪切自鎖,一般采用縮減積分單元。設(shè)置沙漏控制可以防止縮減積分單元出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象,但是,如果沙漏控制不當,可能導(dǎo)致仿真結(jié)果不可信。在工程上一般認為,整機的偽應(yīng)變能與整機的內(nèi)能之比小于5%,仿真結(jié)果是可信的。

        3.3 迭代仿真優(yōu)化

        3.3.1 初始仿真

        對所有可能的跌落工況進行仿真,分析發(fā)現(xiàn),靠近底殼開裂位置的角跌是最危險工況,如圖4所示,仿真失效位置與失效樣機一致,應(yīng)力值為48.6 MPa,以此跌落工況進行迭代仿真,通過仿真技術(shù),找出品質(zhì)提升的有效方案。

        圖4 初始方案仿真測試對比

        3.3.2 第一次迭代仿真

        對以上仿真結(jié)果進行失效分析:底殼側(cè)墻采用翻折結(jié)構(gòu),非常規(guī)閉口結(jié)構(gòu),整體剛度較弱,加上螺釘位置拉扯,導(dǎo)致跌落瞬間在翻折的邊緣出現(xiàn)較高的應(yīng)力。提出的仿真驗證方案是:在底殼薄弱的翻折側(cè)墻上增加一個角鋼,并釋放翻折側(cè)墻的螺釘連接,如圖5所示。

        圖5 第一次迭代仿真驗證方案

        如圖6所示,根據(jù)仿真結(jié)果,角鋼+釋放螺釘連接方案,加強底殼整體剛度,改善明顯,應(yīng)力降為32.5 MPa。此時,應(yīng)力大于屈服強度14 MPa,需繼續(xù)迭代仿真。

        圖6 第一次迭代仿真結(jié)果

        3.3.3 第二次迭代仿真

        對以上仿真結(jié)果進行失效分析:底殼翻折位置撞擊底部泡沫段差位置,導(dǎo)致跌落瞬間在翻折的邊緣出現(xiàn)較高的應(yīng)力。提出的仿真驗證方案是:在支撐腳位置與底部泡沫側(cè)墻之間墊泡沫,并去除底部泡沫的段差,如圖7所示。

        圖7 第二次迭代仿真驗證方案

        如圖8所示,根據(jù)仿真結(jié)果,墊泡沫方案可以有效防止底殼翻折位置撞擊底部泡沫,但是此方案改善不明顯,應(yīng)力降為31.9 MPa。在跌落瞬間,所墊泡沫位移較大,將會撞擊底殼翻折位置。對方案進行了調(diào)整,將所墊泡沫與底部泡沫融為一體,可以有效防止所墊泡沫撞擊底殼翻折位置,應(yīng)力降為19.0 MPa,改善明顯。此時,應(yīng)力仍然大于屈服強度(14 MPa),需繼續(xù)迭代仿真。

        圖8 第二次迭代仿真結(jié)果

        3.3.4 第三次迭代仿真

        對以上仿真結(jié)果進行失效分析:底殼局部剛度較弱,導(dǎo)致跌落瞬間在翻折的邊緣出現(xiàn)較高的應(yīng)力19.0 MPa。提出的仿真驗證方案是:翻蓋邊緣內(nèi)縮,或翻蓋底部局部加筋,如圖9所示。

        圖9 第三次迭代仿真驗證方案

        如圖10所示,根據(jù)仿真結(jié)果,翻蓋邊緣內(nèi)縮方案,邊緣遠離高應(yīng)力區(qū),改善不明顯,應(yīng)力降為17.6 MPa;翻蓋底部局部加筋方案,局部剛度強化后,改善明顯,應(yīng)力降為15.4 MPa,接近屈服強度(14 MPa),與初始仿真對比,應(yīng)力降幅明顯,終止迭代仿真。

        圖10 第三次迭代仿真結(jié)果

        3.4 測試試驗驗證仿真優(yōu)化方案

        將冷凍跌落仿真結(jié)果以及有效的改善方案同設(shè)計部門溝通之后,設(shè)計部門綜合采納了相關(guān)建議,對洗碗機以及包裝進行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化之后的帶包裝洗碗機整機通過了冷凍跌落測試試驗,仿真中改善明顯的方案在測試試驗中也被證明是有效的,如圖11所示。

        圖11 仿真改善方案測試結(jié)果

        4 結(jié)論

        采用仿真技術(shù),可以協(xié)助工程師找出產(chǎn)品失效的原因。通過虛擬的迭代仿真,過濾無效的驗證方案,能快速找到有效的改善方案,替代了大多數(shù)的測試試驗。

        (1)本文采用Radioss軟件對帶包裝洗碗機進行冷凍跌落仿真,遍歷所有可能的跌落工況,分析發(fā)現(xiàn),靠近底殼開裂位置的角跌是最危險工況,仿真失效位置與失效樣機一致,跌落仿真方案比較準確地復(fù)現(xiàn)了底殼翻折邊緣開裂失效風(fēng)險。

        (2)在傳統(tǒng)的研發(fā)模式下,工程師只能看到跌落測試完成后的失效樣機,失效原因分析的困難較大;本文通過多輪仿真迭代優(yōu)化,逐輪進行分析,得出底殼開裂翻折邊緣開裂的原因是底殼側(cè)墻采用翻折結(jié)構(gòu),非常規(guī)閉口結(jié)構(gòu),整體剛度較弱;底殼翻折位置撞擊底部泡沫段差位置;底殼局部剛度較弱。

        (3)本文通過多輪仿真迭代優(yōu)化,從包裝結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)出發(fā),找出了有效的綜合改善方案:在底殼薄弱的翻折側(cè)墻上增加一個角鋼,在支撐腳位置與底部泡沫側(cè)墻之間增加泡沫墊特征,并去除底部泡沫的段差,翻蓋底部局部加筋;對以上改善方案進行仿真,失效位置應(yīng)力從48.6 MPa降至15.4 MPa,降幅68.3%,改善效果明顯,最終,通過了冷凍跌落測試試驗。

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