摘要：近些年来，随着家电行业的发展和技术的不断革新，家用电器也从单一功能型向多功能型和智能化发展，这就需要新的、前沿性的科学技术作支撑，其中以计算机技术革命为代表的现代科技发展对社会生产起到了极大的促进作用。无论在结构设计、性能分析、生产管理、市场销售等环节，计算机技术的普遍应用都极大地提高了生产效率，节省了大量的人力物力，将社会生产带向新的高度和发展方向。同样，计算机技术，尤其是仿真技术，越来越被家电行业所重视和应用，用以指导产品的研究和设计开发，并形成规范化体系和标准，引领家电行业的技术革新。
关键词：家电 计算机 仿真技术
1仿真技术在结构设计领域的应用
家用电器根据其使用场景和用户习惯的不同，其结构设计呈现出多样性、紧凑性、复杂性、精密性和符合工业设计需求的特点。
多样性方面，一产品的研发阶段为例，如采用手工或平面设计图纸，附加手工打造实体样机的方法，势必会极大消耗研发人员的精力和时间；同时使用多型号的实体物料一方面制造难度加大，另一方面方案修改会造成重复性浪费的风险，这些都会直接导致研发端在整个产品的生产周期效率低下，甚至导致额外的生产成本。基于这样的问题，计算机辅助建模的仿真技术被引进家电结构设计，其优势一方面可以直观地观察产品研发端的结构设计过程和方式，进行实时、可视化的三位结构建模，并且方案修改十分方便；此外，计算机仿真建模极大缩短了人工制图或平面图纸转换的时间和精力，将更多时间应用于研发，并且多个型号可以同时同步协同设计，优化分析，在完成设计方案后再投入实体样板，十分节省物料和人力物力，从而提高了研发端的效率，降低产品设计周期和成本。
紧凑性方面，家用电器的使用场合决定了其尺寸的局限性，要求在尽可能小的体积空间内布置更多的元件，实现更多的功能。由此以来，各个结构和元件的设计和布置就显得十分关键。一种方法是传统的手工打造样机，将实体元件案功能需求在平台上进行手工调整和安装，虽然省略了建模时间，但安装精度和多方案的成本的局限性导致其效率低下；而计算机仿真可以在结构设计阶段就安排好各元件的布局，提前规划好空间，满足其紧凑性需求，此外，其结构尺寸和元件定位的准确性也明显优于传统方式。
复杂性和精密性方面，家用电器的功能化，是将结构框架、电器系统、控制系统、主辅功能系统等联合统一起来的设计过程。虽然整体体积有限，但各个元件如集成电路、控制按钮、核心功能元件的尺寸、布局是一套系统工程，其复杂性体现于结构布置局促，更体现在系统的设计布局对电器整体性能的影响，优秀、成熟的设计方案会保证家电的基本性能，同时为了节省空间采用的模块化等设计方式，需要有高精度的保障，此外，设计方案要便于工艺实现和批量生产，这些都是传统人工方式难以实现的。因此，利用计算机仿真的易操作性、可视化和实时性的功能特点，在保障产品系统平台的设计和布局、安装精度的要求等方面可以满足设计人员的需求。
此外，在工业设计方面，计算机仿真技术更可以给设计人员更多的支持，实现产品的外观、人体工学与性能方面融合的设计需求。
2仿真技术在性能设计领域的应用
按照用户的使用场景，家电主要实现食材烹饪、个人洗护、环境清洁、舒适度调节及娱乐等功能，相对应的技术解决方案涉及力、热、光、电、磁等领域的技术，对应热力学、流体力学、电磁学等方面的基础学科。这些技术实现过程中的模型建立、数学计算、优化设计等方面，是人工无法完成或精度不符合实际需求的，这就需要计算机仿真技术进行解决。
以家用电器中常用的风机扇叶为例，如图1所示，采用计算机软件进行风机扇叶的建模、网格划分以及定义边界条件后，对风机附近的流场进行仿真计算。图1中a）为风扇正面区域的流场分布情况，可以看出速度矢量围绕风机旋转中心分布，中心速度最小，沿扇叶切向速度最大；图1中b）为风扇的旋转对工作空间的扰动情况，可以看到扇叶附近流动变化剧烈，随着离开扇叶距离的增加，扇叶的扰动影响力逐渐降低，并且在扇叶周围形成漩涡，呈现出扇叶径向出风、中心轴向回流的流动特性。基于该仿真计算，就可以指导风机的方案设计，按照家电风量、风速和影响范围的实际需求，进行风机扇叶结构的优化设计。
此外，计算机仿真还可以应用于多种家电的性能设计场合。例如，针对带热风对流和加热管辐射的烤箱，为了优化设计达到烘烤均匀性的目的，可以采用仿真的方法，对烤箱内部空间进行温度场和热流场综合仿真计算，并分析对流换热和热辐射对烹饪效果的影响，可以指导热风组件、加热管的功率和几何形状、布置方式的设计，以及烘焙的最佳温度和最佳时间等；蒸烤箱同理，在流动换热基础上增加了蒸汽功能，需要将蒸汽相变条件加入到仿真计算中，以得到精确的工作空间的温度分布和流场情况，来指导蒸汽量和加热组件的配合方式，以获得最佳煮食色泽和口感；洗碗机方面，主要是流体动力学，通过仿真研究得到最佳的喷射流速、喷射角度和配水量，以获得最佳的和经济的清洗碗碟效果；电风扇、空调类的主要是空气动力学和热力学、力学仿真，从而指导风扇扇叶的设计、空调盘管的方式、降噪等，从而达到节能和增强用户体验的设计方案。
因此，计算机仿真技术在家电性能设计领域有着举足轻重的作用，该方法解决了人工无法实现的诸如复杂多物理场的计算，可以实现实时化、可视化以及较为精确的计算结果，指导产品设计；结合仿真建模可以进行多方案并行设计和计算，进行多工况批量以及参数化设计，比起传统的实测实验，都极大节省了人力物力，提高了研发效率，降低生产研发端的成本。
3仿真技术在控制领域的应用
家用电器的实现核心功能最关键的环节是合理的电控方案，关乎各元件工作状态及相互协同的组合功能，还要防止出现故障和安全隐患。
传统的电路及控制设计采用实际样机方法，人工参与较多，当涉及比较复杂的电路和控制逻辑时，连线、元件布局容易出现人为错误，或者受单个元件的性能、寿命的影响导致整个系统出现故障，无法进行测试或工作。因此，采用计算机进行电器元件及电路设计、控制逻辑的仿真就显得十分必要了。通过计算机模拟软件选择元件、搭建各元件的连接方式，并定义系统的工作逻辑，可以实现快速、准确的测试，不受实体硬件限制，软件中一些逻辑设计还能有效避免尤其是大量元件、复杂电控设计所容易出现的问题和错误，提高控制的设计效率。
结束语
随着家电行业的用户体验和市场需求的不断提高，计算机仿真技术在研发方面的使用也越来越普遍，仿真技术在保留了传统设计方法优点的基础上，实现了定量化、可视化、实时化、并行批量处理以及参数化设计，不断辅助和指导研发人员进行产品方案设计和迭代升级。
参考文献：
[1].GB4706.82-2014《家用和类似用途电器的安全 房间加热用软片加热元件的特殊要求》.
[2].GB17988-2008《食具消毒柜安全和卫生要求》.
[3]GB4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全第1部分：通用要求》.
论文作者:王宏宇
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
标签：元件论文; 仿真技术论文; 家电论文; 功能论文; 建模论文; 性能论文; 风机论文; 《基层建设》2018年第23期论文;