CAE仿真技術(shù)在家電領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例解析

計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering,簡(jiǎn)稱CAE）是采用虛擬分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)（場(chǎng)）的性能進(jìn)行模擬（仿真），預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)（場(chǎng)）的性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)（場(chǎng)）的設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品研發(fā)提供指南，為解決實(shí)際工程問題提供依據(jù)。CAE分析技術(shù)為技術(shù)人員提供了一種全新的設(shè)計(jì)方式，使設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)同步進(jìn)行，這就在根本上將技術(shù)人員從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中解脫出來，使他們有更多時(shí)間與精力考慮再產(chǎn)品的創(chuàng)新。

隨著國(guó)內(nèi)家電品牌的發(fā)展和日益成熟，家電行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，國(guó)內(nèi)外品牌家電廠商除了重視產(chǎn)品的外觀之外，愈來愈重視技術(shù)革新和成本競(jìng)爭(zhēng)力。

CAE在家用電器產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用，主要內(nèi)容為工程校驗(yàn)，有限元分析及計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化，主要解決產(chǎn)品的性能質(zhì)量，進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、模擬態(tài)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、非線性、噪聲、流-固耦合、氣動(dòng)彈性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等性能方面的分析和結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化工作，目前世界著名家用電器生產(chǎn)商已將CAE技術(shù)廣泛用于家用電器的開發(fā)設(shè)計(jì)中，并解決了很多實(shí)際問題。隨著在產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用中的深入，CAE技術(shù)在家用電器的開發(fā)應(yīng)用發(fā)揮越來越大的作用。

家電產(chǎn)品的性能很多都屬于多物理場(chǎng)的耦合響應(yīng)，其性能設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化等工作涉及眾多的學(xué)科，如熱力學(xué)，聲學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、有限元技術(shù)（FEM）、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，是典型的綜合學(xué)科，交叉學(xué)科領(lǐng)域。

作為產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)、分析、仿真的基本工具,CAE所涉及的分析仿真非常廣泛，可為家電企業(yè)提供大量的技術(shù)解決方案。主要應(yīng)用方向有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、流體力學(xué)分析、制造成形分析，為家電企業(yè)在提高產(chǎn)品可靠性、降低產(chǎn)品成本與縮短開發(fā)周期方面起到了顯著的作用。

CFD與熱分析

模流分析

金屬成型分析

熱水器包裝優(yōu)化設(shè)計(jì) 

客戶原始包裝設(shè)計(jì)在進(jìn)行踩踏試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)如圖所示的破壞情況，需要進(jìn)行優(yōu)化.優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)為滿足跌落、踩踏測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，泡沫重量最優(yōu)。

優(yōu)化思路：首先，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，判斷分析結(jié)果，找出薄弱區(qū)域，然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

通過對(duì)初始設(shè)計(jì)的仿真模擬，確認(rèn)踩踏在避掛周圍和控制蓋板周圍，包裝紙箱由于存在均部應(yīng)力集中，從而應(yīng)力值超過材料的破壞強(qiáng)度，造成紙箱破裂。

根據(jù)原始分析結(jié)果進(jìn)行如下優(yōu)化：將泡沫四周導(dǎo)角過渡，改善踩踏緩沖區(qū)，避免拐角應(yīng)力集中;改變加強(qiáng)肋布局，增加強(qiáng)度;中間掏空節(jié)省材料;邊角加大改善沖擊慣性。

經(jīng)過改善優(yōu)化，目前客戶的包裝設(shè)計(jì)已經(jīng)完全滿足跌落與踩踏標(biāo)準(zhǔn)，且包裝成本在原來的基礎(chǔ)上降低了10%以上。目前客戶正在將新型包裝申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)專利。

壓力鍋墊片優(yōu)化 

該分析的目的為針對(duì)電壓力鍋在高壓蒸汽的情況下(分析中以不同的壓力值作為蒸汽的加載工況)，支撐墊片不能發(fā)生永久變形進(jìn)行分析和優(yōu)化。

墊片的形狀分為如圖所示A、B兩種。且墊片的厚度、材料以及尺寸參數(shù)均作為優(yōu)化對(duì)象。

分析中通過虛擬DOE實(shí)驗(yàn)，通過排列組合，以墊片的應(yīng)力和變形量作為目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比判斷，最終得出最優(yōu)的組合參數(shù)方案，使得客戶的墊片設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)需求

冰箱門熱應(yīng)力分析 

某公司在開發(fā)某型號(hào)的冰箱時(shí)，在門體溫度循環(huán)試驗(yàn)中門蓋發(fā)生如圖所示的開裂現(xiàn)象。分析的目的為通過溫度場(chǎng)模擬冰箱門在高溫及低溫放置的工況，考查冰箱門蓋的應(yīng)力和變形情況，查找出門蓋開裂的原因，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善。

通過對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，結(jié)果表明室溫至低溫的情況下門蓋的應(yīng)力和變形較大，即門蓋開裂是由低溫時(shí)的收縮引起的，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，最大應(yīng)力發(fā)生在上下門蓋的前邊緣的中間部位，與實(shí)際斷裂部位也是吻合。

根據(jù)分析結(jié)果，分別對(duì)冰箱門的上蓋板和下蓋板進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于上蓋板在頂面加厚，外邊緣導(dǎo)圓角，縱向筋的一端延伸到端部，縱向筋的另一端也延伸到底部，增加一條橫向的筋。 對(duì)于下門蓋頂面加厚，外邊緣導(dǎo)圓角，增加縱向及橫向的筋，增加內(nèi)部筋的高度。

經(jīng)過改善優(yōu)化并進(jìn)行校驗(yàn)分析，改善效果明顯，門蓋安全系數(shù)顯著增加，門體整體變形也明顯減小，滿足產(chǎn)品的可靠性需求。

電視機(jī)跌落損壞分析  

某款電視機(jī)在跌落后，面板固定顯像管區(qū)域總會(huì)出現(xiàn)如圖所示破裂。

通過仿真分析，確定結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)以及初始的擴(kuò)展區(qū)域，從而準(zhǔn)確的提出解決方案，順利的解決了該問題。