項目介紹
通常當工程師在考慮包含多體動力學、流體力學和NVH的復雜問題時，他們關注的是車輛或飛行器的復雜性。其實，這么有挑戰(zhàn)性的設計問題，同樣會發(fā)生在每個家庭的洗衣房里。對于Mabe這樣一個資產(chǎn)近30億美元、總部設在墨西哥城的公司來說，仿真在洗衣機的設計中占有很重要的位置。作為一個跨國公司，Mabe設計、制造并銷售15個不同品牌的產(chǎn)品，它們被銷往70個國家，同時為美國市場生產(chǎn)GE的產(chǎn)品。
Mabe意識到，如果衣物放置不平衡，在轉筒轉動中，洗衣機會受到劇烈的振動、噪聲和變形，這將導致不理想的洗滌效果以及洗衣機自身的磨損。這種不平衡產(chǎn)生的作用力導致轉筒偏心旋轉以及轉子組件傾斜。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)來彌補洗衣機轉筒在高速旋轉時的不平衡，并減小旋轉時的偏心、傾斜和振動。
這種液體平衡環(huán)在轉子上不平衡載荷的對面形成一個半月板。隨著轉子的加速，這個半月板逐漸就位。
平衡環(huán)中的液體幫助抵消轉子上的載荷，同時液體被環(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內(nèi)部承受更高速度而不增加振動的方法，作為改進產(chǎn)品能源要求的途徑。它依靠這種平衡環(huán)的概念來幫助實現(xiàn)這個目標。公司使用一個透明塑料的平衡環(huán)原型實施了大量的物理實驗，使得他們可以看到平衡環(huán)內(nèi)部的液體是怎樣運動的。他們使用高速攝像機觀察這個運動。這個過程需要耗費大量時間并且成本很昂貴，即使很多關于平衡環(huán)運動的信息被記錄下來，工程師仍然不能預測它和洗衣機其它零件之間的相互關系。
“這種平衡環(huán)是在19世紀末被發(fā)明的，這個裝置的設計參數(shù)是基于很多理論假設，并且這些參數(shù)之間的相互關系并沒有被深度挖掘。”Mabe的設計工程師Alfonso Thompson Salinas這樣說道。
Mabe想要通過仿真獲得各種不同設計及快速得到結果，并且更好的理解這種平衡環(huán)工作的動力學原理。
“這種平衡環(huán)本身就是一個挑戰(zhàn)，因為你需要同時考慮流體力學和瞬態(tài)現(xiàn)象。”Mabe的設計工程師Martin Ortega說，“把平衡環(huán)放在一個旋轉的懸掛系統(tǒng)上加大了這種復雜性，使得精確預測變成了一個艱巨的任務。”
解決方案
Mabe求助于Altair進行這樣的仿真研發(fā)工作。
“幾年前，當我們正在為我們的洗衣機開發(fā)第一個多體仿真的時候，Altair向我們提供了一個強大的產(chǎn)品，這個產(chǎn)品可以滿足我們所有的需要并提供超過我們預期的支持，”Ortega說，“為了實現(xiàn)這個新的挑戰(zhàn)，我們很自然地接受了Altair和他們的專業(yè)知識。”
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力學問題方面是一個完美的解決方案。
圖1 結合RADIOSS有限元仿真和MotionSolve機械系統(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不常見現(xiàn)象的時候你關注的東西，”Thompson說，“Altair始終提供強大的支持和計算方法伴隨著HyperWorks，你可以應用無障礙的技術和仿真參數(shù)來解決你的問題。”
在Altair的技術支持下，Mabe的工程師先把平衡環(huán)的運動從洗衣機中獨立出來以單獨研究它的運動。團隊建立了基于光順粒子(SPH)的模型，使用HyperWorks中強大的有限元求解器RADIOSS進行求解。對于不用形狀、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。該團隊建立了超過170萬個SPH粒子的模型以獲得水在環(huán)中的穩(wěn)定時間和形成的形狀，并使用RADIOSS進行求解。
第二步，該團隊使用Altair的多體動力學求解器MotionSolve分析帶柔性體的整個系統(tǒng)的動力學。使用受轉筒離心率驅動的一系列的固體粒子去匹配平衡環(huán)中的液體，這些粒子移動到不平衡載荷的對面，形成固體半月板。這個裝置被安裝在帶有多個柔性體的洗衣機組件的多體動力學模型上。
“用建立模型來證明假設，這種能力是無價的。”Thompson說道，“在減少打入市場時間的過程中，確定影響平衡環(huán)的參數(shù)無疑對這種技術發(fā)展水平做出了貢獻。
圖2 仿真模型表現(xiàn)出的結果很符合高速攝像機記錄下的平衡環(huán)測試的結果
結論
仿真生動地表現(xiàn)了有和沒有這個平衡環(huán)時轉筒的位移。它證明了：在終速時，有這個平衡環(huán)情況下的位移是沒有這個平衡環(huán)情況下的1/5。但是這個分析也表明，有這個平衡環(huán)的情況下，轉筒的瞬時狀態(tài)更劇烈，因為隨著轉筒的旋轉，液體在移動到不平衡載荷對面之前有一個過渡階段，使得它自身就變成一個不平衡載荷。最終，與物理實驗一致的仿真結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果，Mabe現(xiàn)在更清晰地認知了平衡環(huán)內(nèi)部和整個洗衣機內(nèi)部的運動。公司現(xiàn)在制定了自己的洗衣機工程方法，并且能夠預測轉筒能夠達到的轉速。
“擁有一個基于CAD的仿真結果，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果輸出。同時，有了數(shù)字仿真的優(yōu)勢，我們可以選擇使用位移和力傳感器或者高速攝像機來關聯(lián)仿真和真實的實驗。”
利用HyperWorks，Mabe現(xiàn)在可以進行大量不同設計的虛擬實驗。
“最初，我們只能對單個零件進行分析，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計，直到滿足我們的性能和安全目標。仿真驅動設計不僅可以縮短設計周期，同時也避免了大量返工的費用。”
Mabe看到了很多由仿真帶來的好處，并嘗試著在設計過程中更早的使用仿真。Mabe的管理人員說仿真驅動設計使得公司能夠做出更好的產(chǎn)品并更快投放市場。
“現(xiàn)在仿真在產(chǎn)品設計過程中被使用得越來越多。”Thompson說道，“并且得到的結果產(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，以及幫助較少測試時間和產(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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本文標題：HyperWorks助力全球家電制造商Mabe提升洗衣機性能，加速產(chǎn)品投放市場
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