項(xiàng)目介紹
通常當(dāng)工程師在考慮包含多體動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)和NVH的復(fù)雜問題時(shí),他們關(guān)注的是車輛或飛行器的復(fù)雜性。其實(shí),這么有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問題,同樣會(huì)發(fā)生在每個(gè)家庭的洗衣房里。對(duì)于Mabe這樣一個(gè)資產(chǎn)近30億美元、總部設(shè)在墨西哥城的公司來說,仿真在洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)中占有很重要的位置。作為一個(gè)跨國公司,Mabe設(shè)計(jì)、制造并銷售15個(gè)不同品牌的產(chǎn)品,它們被銷往70個(gè)國家,同時(shí)為美國市場(chǎng)生產(chǎn)GE的產(chǎn)品。
Mabe意識(shí)到,如果衣物放置不平衡,在轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)中,洗衣機(jī)會(huì)受到劇烈的振動(dòng)、噪聲和變形,這將導(dǎo)致不理想的洗滌效果以及洗衣機(jī)自身的磨損。這種不平衡產(chǎn)生的作用力導(dǎo)致轉(zhuǎn)筒偏心旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)子組件傾斜。為了解決這些潛在的問題,Mabe發(fā)明了一種智能填充液體的平衡環(huán)來彌補(bǔ)洗衣機(jī)轉(zhuǎn)筒在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的不平衡,并減小旋轉(zhuǎn)時(shí)的偏心、傾斜和振動(dòng)。
這種液體平衡環(huán)在轉(zhuǎn)子上不平衡載荷的對(duì)面形成一個(gè)半月板。隨著轉(zhuǎn)子的加速,這個(gè)半月板逐漸就位。
平衡環(huán)中的液體幫助抵消轉(zhuǎn)子上的載荷,同時(shí)液體被環(huán)內(nèi)部的擋板固定住,形成阻尼器的效果。
挑戰(zhàn)
Mabe尋求一種能使洗衣機(jī)內(nèi)部承受更高速度而不增加振動(dòng)的方法,作為改進(jìn)產(chǎn)品能源要求的途徑。它依靠這種平衡環(huán)的概念來幫助實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。公司使用一個(gè)透明塑料的平衡環(huán)原型實(shí)施了大量的物理實(shí)驗(yàn),使得他們可以看到平衡環(huán)內(nèi)部的液體是怎樣運(yùn)動(dòng)的。他們使用高速攝像機(jī)觀察這個(gè)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程需要耗費(fèi)大量時(shí)間并且成本很昂貴,即使很多關(guān)于平衡環(huán)運(yùn)動(dòng)的信息被記錄下來,工程師仍然不能預(yù)測(cè)它和洗衣機(jī)其它零件之間的相互關(guān)系。
“這種平衡環(huán)是在19世紀(jì)末被發(fā)明的,這個(gè)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)是基于很多理論假設(shè),并且這些參數(shù)之間的相互關(guān)系并沒有被深度挖掘。”Mabe的設(shè)計(jì)工程師Alfonso Thompson Salinas這樣說道。
Mabe想要通過仿真獲得各種不同設(shè)計(jì)及快速得到結(jié)果,并且更好的理解這種平衡環(huán)工作的動(dòng)力學(xué)原理。
“這種平衡環(huán)本身就是一個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)槟阈枰瑫r(shí)考慮流體力學(xué)和瞬態(tài)現(xiàn)象。”Mabe的設(shè)計(jì)工程師Martin Ortega說,“把平衡環(huán)放在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的懸掛系統(tǒng)上加大了這種復(fù)雜性,使得精確預(yù)測(cè)變成了一個(gè)艱巨的任務(wù)。”
解決方案
Mabe求助于Altair進(jìn)行這樣的仿真研發(fā)工作。
“幾年前,當(dāng)我們正在為我們的洗衣機(jī)開發(fā)第一個(gè)多體仿真的時(shí)候,Altair向我們提供了一個(gè)強(qiáng)大的產(chǎn)品,這個(gè)產(chǎn)品可以滿足我們所有的需要并提供超過我們預(yù)期的支持,”Ortega說,“為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)新的挑戰(zhàn),我們很自然地接受了Altair和他們的專業(yè)知識(shí)。”
Altair的工程師與Mabe的工程師緊密合作,并幫助他們熟悉CAE工具HyperWorks。HyperWorks在處理流體和多體動(dòng)力學(xué)問題方面是一個(gè)完美的解決方案。
圖1 結(jié)合RADIOSS有限元仿真和MotionSolve機(jī)械系統(tǒng)分析使得Mabe可以開發(fā)出更有效的平衡環(huán)
“仿真的簡易性就是你在嘗試仿真一個(gè)不常見現(xiàn)象的時(shí)候你關(guān)注的東西,”Thompson說,“Altair始終提供強(qiáng)大的支持和計(jì)算方法伴隨著HyperWorks,你可以應(yīng)用無障礙的技術(shù)和仿真參數(shù)來解決你的問題。”
在Altair的技術(shù)支持下,Mabe的工程師先把平衡環(huán)的運(yùn)動(dòng)從洗衣機(jī)中獨(dú)立出來以單獨(dú)研究它的運(yùn)動(dòng)。團(tuán)隊(duì)建立了基于光順粒子(SPH)的模型,使用HyperWorks中強(qiáng)大的有限元求解器RADIOSS進(jìn)行求解。對(duì)于不用形狀、填充比、速度和偏心率的平衡環(huán),Mabe都使用SPH建立離散粒子的流體模型。該團(tuán)隊(duì)建立了超過170萬個(gè)SPH粒子的模型以獲得水在環(huán)中的穩(wěn)定時(shí)間和形成的形狀,并使用RADIOSS進(jìn)行求解。
第二步,該團(tuán)隊(duì)使用Altair的多體動(dòng)力學(xué)求解器MotionSolve分析帶柔性體的整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。使用受轉(zhuǎn)筒離心率驅(qū)動(dòng)的一系列的固體粒子去匹配平衡環(huán)中的液體,這些粒子移動(dòng)到不平衡載荷的對(duì)面,形成固體半月板。這個(gè)裝置被安裝在帶有多個(gè)柔性體的洗衣機(jī)組件的多體動(dòng)力學(xué)模型上。
“用建立模型來證明假設(shè),這種能力是無價(jià)的。”Thompson說道,“在減少打入市場(chǎng)時(shí)間的過程中,確定影響平衡環(huán)的參數(shù)無疑對(duì)這種技術(shù)發(fā)展水平做出了貢獻(xiàn)。
圖2 仿真模型表現(xiàn)出的結(jié)果很符合高速攝像機(jī)記錄下的平衡環(huán)測(cè)試的結(jié)果
結(jié)論
仿真生動(dòng)地表現(xiàn)了有和沒有這個(gè)平衡環(huán)時(shí)轉(zhuǎn)筒的位移。它證明了:在終速時(shí),有這個(gè)平衡環(huán)情況下的位移是沒有這個(gè)平衡環(huán)情況下的1/5。但是這個(gè)分析也表明,有這個(gè)平衡環(huán)的情況下,轉(zhuǎn)筒的瞬時(shí)狀態(tài)更劇烈,因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn),液體在移動(dòng)到不平衡載荷對(duì)面之前有一個(gè)過渡階段,使得它自身就變成一個(gè)不平衡載荷。最終,與物理實(shí)驗(yàn)一致的仿真結(jié)果被用于比較不同填充比的平衡環(huán)的位移。
作為Mabe和Altair工程師共同努力的結(jié)果,Mabe現(xiàn)在更清晰地認(rèn)知了平衡環(huán)內(nèi)部和整個(gè)洗衣機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。公司現(xiàn)在制定了自己的洗衣機(jī)工程方法,并且能夠預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)筒能夠達(dá)到的轉(zhuǎn)速。
“擁有一個(gè)基于CAD的仿真結(jié)果,使得我們可以更好的理解系統(tǒng)中零件之間的相互作用。”Ortega說道,“我們現(xiàn)在可以把零件隔離出來,這樣更有助于我們指定工況和結(jié)果輸出。同時(shí),有了數(shù)字仿真的優(yōu)勢(shì),我們可以選擇使用位移和力傳感器或者高速攝像機(jī)來關(guān)聯(lián)仿真和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。”
利用HyperWorks,Mabe現(xiàn)在可以進(jìn)行大量不同設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)。
“最初,我們只能對(duì)單個(gè)零件進(jìn)行分析,以找出問題的根源。”Ortega說道,“現(xiàn)在,仿真可以在我們進(jìn)行任何加工之前,就幫助我們阻止問題的發(fā)生并嘗試各種不同的零件設(shè)計(jì),直到滿足我們的性能和安全目標(biāo)。仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期,同時(shí)也避免了大量返工的費(fèi)用。”
Mabe看到了很多由仿真帶來的好處,并嘗試著在設(shè)計(jì)過程中更早的使用仿真。Mabe的管理人員說仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)使得公司能夠做出更好的產(chǎn)品并更快投放市場(chǎng)。
“現(xiàn)在仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中被使用得越來越多。”Thompson說道,“并且得到的結(jié)果產(chǎn)生了額外的效果,例如能使產(chǎn)品更好,更清晰地理解發(fā)生的各種現(xiàn)象,以及幫助較少測(cè)試時(shí)間和產(chǎn)品原型的數(shù)量并發(fā)布更好更可靠的產(chǎn)品,以滿足客戶的需求。”
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本文標(biāo)題:HyperWorks助力全球家電制造商Mabe提升洗衣機(jī)性能,加速產(chǎn)品投放市場(chǎng)
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