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

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(diǎn)。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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(hù)的分體室內(nèi)掛機(jī)進(jìn)行仿真建模與運(yùn)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(hù)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(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)多種跌落過程進(jìn)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(jī)結(jié)構(gòu)的破壞程度。張鵬娥[6]等用LS-DYNA對空調(diào)內(nèi)機(jī)進(jìn)行連續(xù)跌落仿真，并做出加速度標(biāo)定，為建立更精準(zhǔn)的跌落模型提供了解決方案。趙新偉[7]用abaqus對電熱水器進(jìn)行跌落仿真，通過分析機(jī)器外殼及泡沫包裝的應(yīng)力應(yīng)變對包裝方案進(jìn)行改進(jìn)。

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(jī)整機(jī)為研究對象，建立其三維仿真模型，采用Radioss求解器對其進(jìn)行冷凍跌落仿真分析，用材料常溫的屈服強(qiáng)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將整機(jī)放入冷凍箱，溫度設(shè)置為-30℃，保持4個小時，取出后進(jìn)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(jī)產(chǎn)品的抗跌落性能。

1 材料數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了準(zhǔn)確預(yù)測帶包裝洗碗機(jī)的抗跌落性能，對整機(jī)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(jìn)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(jìn)行了對標(biāo)。

以洗碗機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(jī)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(jī)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(jìn)行建模，根據(jù)洗碗機(jī)各部件的受力特性進(jìn)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(jìn)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(diǎn)單元進(jìn)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(jī)包裝模型與剛性地面裝配在一起，建立整機(jī)跌落仿真模型，不同的跌落工況，整機(jī)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(diǎn)是整機(jī)剛接觸地面的時刻，從初始跌落高度到整機(jī)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(jī)的跌落仿真模型如圖3所示。

圖3 洗碗機(jī)跌落仿真模型

2.3 初始條件和邊界條件

洗碗機(jī)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(diǎn)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(jī)整機(jī)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(dá)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(jìn)行迭代求解。

本文采用Radioss顯示動力學(xué)求解器進(jìn)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(jìn)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(dāng)機(jī)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(jī)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(rèn)為，整機(jī)增加的質(zhì)量與整機(jī)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(dāng)，可能導(dǎo)致仿真結(jié)果不可信。在工程上一般認(rèn)為，整機(jī)的偽應(yīng)變能與整機(jī)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(jìn)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(jī)一致，應(yīng)力值為48.6 MPa，以此跌落工況進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(yuǎn)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(qiáng)化后，改善明顯，應(yīng)力降為15.4 MPa，接近屈服強(qiáng)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(jī)以及包裝進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化之后的帶包裝洗碗機(jī)整機(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)一致，跌落仿真方案比較準(zhǔn)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(jī)，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(jìn)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(jìn)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。