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CAE/模拟仿真 |
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HyperWorks助力全球家电制造商Mabe提升洗衣机性能，加速产品投放市场 |
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作者：Altair |
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通常当工程师在考虑包含多体动力学、流体力学和NVH的复杂问题时，他们关注的是车辆或飞行器的复杂性。其实，这么有挑战性的设计问题，同样会发生在每个家庭的洗衣房里。对于Mabe这样一个资产近30亿美元、总部设在墨西哥城的公司来说，仿真在洗衣机的设计中占有很重要的位置。作为一个跨国公司，Mabe设计、制造并销售15个不同品牌的产品，它们被销往70个国家，同时为美国市场生产GE的产品。
Mabe意识到，如果衣物放置不平衡，在转筒转动中，洗衣机会受到剧烈的振动、噪声和变形，这将导致不理想的洗涤效果以及洗衣机自身的磨损。这种不平衡产生的作用力导致转筒偏心旋转以及转子组件倾斜。为了解决这些潜在的问题，Mabe发明了一种智能填充液体的平衡环来弥补洗衣机转筒在高速旋转时的不平衡，并减小旋转时的偏心、倾斜和振动。
这种液体平衡环在转子上不平衡载荷的对面形成一个半月板。随着转子的加速，这个半月板逐渐就位。
平衡环中的液体帮助抵消转子上的载荷，同时液体被环内部的挡板固定住，形成阻尼器的效果。
挑战
Mabe寻求一种能使洗衣机内部承受更高速度而不增加振动的方法，作为改进产品能源要求的途径。它依靠这种平衡环的概念来帮助实现这个目标。公司使用一个透明塑料的平衡环原型实施了大量的物理实验，使得他们可以看到平衡环内部的液体是怎样运动的。他们使用高速摄像机观察这个运动。这个过程需要耗费大量时间并且成本很昂贵，即使很多关于平衡环运动的信息被记录下来，工程师仍然不能预测它和洗衣机其它零件之间的相互关系。
“这种平衡环是在19世纪末被发明的，这个装置的设计参数是基于很多理论假设，并且这些参数之间的相互关系并没有被深度挖掘。”Mabe的设计工程师Alfonso Thompson Salinas这样说道。
Mabe想要通过仿真获得各种不同设计及快速得到结果，并且更好的理解这种平衡环工作的动力学原理。
“这种平衡环本身就是一个挑战，因为你需要同时考虑流体力学和瞬态现象。”Mabe的设计工程师Martin Ortega说，“把平衡环放在一个旋转的悬挂系统上加大了这种复杂性，使得精确预测变成了一个艰巨的任务。”
解决方案
Mabe求助于Altair进行这样的仿真研发工作。
“几年前，当我们正在为我们的洗衣机开发第一个多体仿真的时候，Altair向我们提供了一个强大的产品，这个产品可以满足我们所有的需要并提供超过我们预期的支持，”Ortega说，“为了实现这个新的挑战，我们很自然地接受了Altair和他们的专业知识。”
Altair的工程师与Mabe的工程师紧密合作，并帮助他们熟悉CAE工具HyperWorks。HyperWorks在处理流体和多体动力学问题方面是一个完美的解决方案。
结合RADIOSS有限元仿真和MotionSolve机械系统分析使得Mabe可以开发出更有效的平衡环
“仿真的简易性就是你在尝试仿真一个不常见现象的时候你关注的东西，”Thompson说，“Altair始终提供强大的支持和计算方法伴随着HyperWorks，你可以应用无障碍的技术和仿真参数来解决你的问题。”
在Altair的技术支持下，Mabe的工程师先把平衡环的运动从洗衣机中独立出来以单独研究它的运动。团队建立了基于光顺粒子(SPH)的模型，使用HyperWorks中强大的有限元求解器RADIOSS进行求解。对于不用形状、填充比、速度和偏心率的平衡环，Mabe都使用SPH建立离散粒子的流体模型。该团队建立了超过170万个SPH粒子的模型以获得水在环中的稳定时间和形成的形状，并使用 RADIOSS进行求解。
第二步，该团队使用Altair 的多体动力学求解器MotionSolve分析带柔性体的整个系统的动力学。使用受转筒离心率驱动的一系列的固体粒子去匹配平衡环中的液体，这些粒子移动到不平衡载荷的对面，形成固体半月板。这个装置被安装在带有多个柔性体的洗衣机组件的多体动力学模型上。
“用建立模型来证明假设，这种能力是无价的。”Thompson说道，“在减少打入市场时间的过程中，确定影响平衡环的参数无疑对这种技术发展水平做出了贡献。
仿真模型表现出的结果很符合高速摄像机记录下的平衡环测试的结果
结论
仿真生动地表现了有和没有这个平衡环时转筒的位移。它证明了：在终速时，有这个平衡环情况下的位移是没有这个平衡环情况下的1/5。但是这个分析也表明，有这个平衡环的情况下，转筒的瞬时状态更剧烈，因为随着转筒的旋转，液体在移动到不平衡载荷对面之前有一个过渡阶段，使得它自身就变成一个不平衡载荷。最终，与物理实验一致的仿真结果被用于比较不同填充比的平衡环的位移。
作为Mabe和Altair工程师共同努力的结果，Mabe现在更清晰地认知了平衡环内部和整个洗衣机内部的运动。公司现在制定了自己的洗衣机工程方法，并且能够预测转筒能够达到的转速。
“拥有一个基于CAD的仿真结果，使得我们可以更好的理解系统中零件之间的相互作用。” Ortega说道，“我们现在可以把零件隔离出来，这样更有助于我们指定工况和结果输出。
同时，有了数字仿真的优势，我们可以选择使用位移和力传感器或者高速摄像机来关联仿真和真实的实验。”
利用HyperWorks，Mabe现在可以进行大量不同设计的虚拟实验。
“最初，我们只能对单个零件进行分析，以找出问题的根源。”Ortega说道，“现在，仿真可以在我们进行任何加工之前，就帮助我们阻止问题的发生并尝试各种不同的零件设计，直到满足我们的性能和安全目标。仿真驱动设计不仅可以缩短设计周期，同时也避免了大量返工的费用。”
Mabe看到了很多由仿真带来的好处，并尝试着在设计过程中更早的使用仿真。Mabe的管理人员说仿真驱动设计使得公司能够做出更好的产品并更快投放市场。
“现在仿真在产品设计过程中被使用得越来越多。”Thompson说道，“并且得到的结果产生了额外的效果，例如能使产品更好，更清晰地理解发生的各种现象，以及帮助较少测试时间和产品原型的数量并发布更好更可靠的产品，以满足客户的需求。”(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/16/2014) |
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