CAE仿真在白色家电中的应用

由e-works数字化企业网主办，广州市首席信息官协会协办的以“智能产品与仿真”为主题的2016年中国制造业仿真技术应用研讨会在深圳福朋喜来登酒店成功召开。来自全国各地专家、制造企业研发高管和仿真工程师及主流软硬件厂商代表共计140余人参加了本次会议。会上，深圳创新设计研究院执行院长赵宇波先生发表了题为《计算机仿真在白色家电中的应用》的演讲。本文根据当时演讲内容整理而成，今天看来，依然值得大家阅读、了解。

图1 深圳创新设计研究院执行院长赵宇波先生发表演讲

56所研制的神威蓝光上运行了一个应用，用来计算整个深圳城区，根据污染探测点，反计算污染源，然后再计算整个城区污染的情况。这个例子说明计算机仿真在各个领域的应用是非常广泛的。今天，主要和大家分享一下计算机仿真在白色家电设计中的一些应用案例。

在制造业，仿真技术发挥着重要的作用，能让设计取得更大的价值，如缩短周期、减少成本、提早发现问题并解决问题等，这些大家都非常清楚。仿真技术有两大问题，一是软硬件工具的问题，二是人的问题，如果工具越来越强大，越来越傻瓜化，那么仿真工程师在企业中的角色，一定会发生变化。在我看来，仿真本来就不是一个职业，从事仿真这些年，也开发一些软件，一路走来发现仿真不是我们的终极目标，如何做好产品才是关键，如果不用仿真就能把产品做好，当然仿真就无用了，但更多的是不采用仿真技术无法将其快速搞定，这就是现在很多制造业产品开发中不可回避的问题——没有那么多有经验的人。

当面对一些市场上反馈的问题时，如何用定量的手段，而不只是靠经验、靠眼睛、靠耳朵解决问题是非常有必要的。再者，一些新的或更新换代的产品，完全不在原来技术体系之内，这时如果用传统的，只依赖经验的方法显然跟不上市场的节奏，采用计算机仿真能取得事半功倍的效果。今天主要介绍计算机仿真在白色家电——冰箱、洗衣机、空调、微波炉等的应用。

如洗衣机有包装设计、震动噪声、甩干过程中的撞箱问题。空调有噪声、气动噪声问题等等。大家一看觉得都是多物理场问题，但实际上都是多学科耦合问题。

图2 计算机仿真在白色家电的应用

老一代的自主开发软件非常专注多物理场耦合问题，今天我也觉得多物理场耦合非常重要，但事实上多学科的知识更关键，多物理场的很多问题，不管再多，还是有限的。如最近在神威机器计算脑血管瘤的问题，完全非结构的算例，需要考虑血管的弹性。目前任何一个软件都做不到，非常困难。这种情况下，不管流体还是固体都当成一个统一的物理场，都是牛顿第二定律连续介质的表现，看作为统一场时就不存在多物理场问题，除非有其他场存在，如电磁等等，其实大家关注的流固耦合问题，本身就是一个统一的物理场，都是连续介质力学的表现，只是方程坐标系选择有差异，换到同一坐标系当中就没差别了。所以我更关注多学科耦合问题。

对家电行业来说，第一要可靠，不能到了客户手里就出问题；第二要舒适，第三要节能，如空调，现在又提出智能和健康的目标，第四最重要的是成本，家电产业是一个看似没啥技术水平，但是实际上它集成了制造、工艺各个方面。举个简单的例子，如何借助仿真技术解决洗衣机的包装问题。做了一个波轮洗衣机的包装，损耗率很高，不是包装损耗率，而是导致产品被投诉和退货率特别高。我们希望发现产品从出厂到用户家里的一连贯过程中，到底哪一个环节容易造成产品损耗、损坏？借助计算机仿真，模拟了大量的工况，调研了所有的问题点，然后再通过计算机仿真验证这些问题能否真实发生，最后用仿真优化产品和包装。

图3 外损包装七步设计

很多问题如果只做实验，我们看到的是结果，但利用计算机仿真，我们看到了很多中间过程，如洗衣机跌落过程中，产生了二次冲击，把底板撞弯了，所以在设计包装时，我们采用了蜂窝纸、泡沫做成一个组合式的包装，确保产品在撞击时，不再发生二次撞击，得到很好的缓冲。最后，连续三个月外损率，整改之后下降了37%，这是真实的从出库跟踪出来的数据，这是仿真手段价值的体现，但最有价值的，是对整个过程的分析和评价，以及与物理和调研手段的结合应用，仿真是最重要的量化手段，把原来的定性分析变成了定量分析。

图4 包装设计案例

洗衣机设计还包括一些振动、减振问题，我相信很多仿真工程师做不了洗衣机仿真，太复杂。波轮洗衣机旁有四个吊杆，要防止洗衣过程撞箱。第二要减少振幅。模拟整个洗衣机时，从整个物理模型的简化到最后的仿真模型，整个过程都很难，需要对洗衣机的工作原理深入理解。不管仿真工程师对工具使用的多么熟练，如果对业务不了解，还是很难做好仿真的。所以核心在于对物理的理解、对业务和对产品的理解，这些理解了，有没有仿真都能在企业被重用，有了仿真之后就更加被重用。

仿真技术在白色家电设计中的应用还有噪声的降噪。噪音主要是气动噪音、振动噪音及异音改善。如何通过计算机仿真发现噪声源，然后通过叶片、卧壳降低噪声，目前有很多企业都在应用了。另外，微波炉，带烤箱的微波炉如何设计才能让温度更均匀？ 2008年，我们用了256个CPU解决了这个问题。

提高热水输出率是热水器设计的一大目标。热水输出率越高，在行业地位越高，如何利用仿真解决呢？关键是研究热水输出率是通过什么提高的？原理是什么？最终找到冷热混合分层，冷热分层分的越好，热水输出率必然越高。找到这些规律之后，就考虑如何让出水口、进水口设计更合理，出水时尽量避免出现紊流。通过CAE仿真分析模拟出热水器内部的流动状态和温度分布，从而对设计进水管进行优化，判断是否提高了热水产量。通过仿真分析提高叶片能效，将三级能效提高到一级能效。最后能效提高34%。所以说仿真技术必须结合各种对业务和工况的理解，这样可以解决很多疑难杂症。

图5 热水器热水输出率优化

最后一个案例，海尔天樽/天铂空调。这款空调是我们开发的，当然仿真是重要手段，但绝不是唯一手段。此款空调，它的整个送风和出风的原理，跟原来的格栅式空调是完全不一样的。是一种射流方式出风的模式，射流以后，整个叶片的设计和风道跟原来不一样，在这种情况下，对整套体系进行概念设计，之后快速建模初算，然后再反复计算，这种项目完全靠经验是做不来的，因为没有经验可以参考，这就是仿真的力量。仿真要为设计服务，设计为商业服务，所以说仿真是非常重要的。

本文转自【有限元科技】