佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司 528311
摘要：产品决定企业的命运，而产品设计始终是决定产品性能、质量、水平、成本和经济效益的重要基础环节。在产品设计中，只有运用现代设计方法、工具和技术，才能又快又好的完成产品设计开发任务。基于此，本文就从CAE在家用电器开发设计中的运用展开分析。
关键词：CAE；家用电器开发设计；运用
1、结构分析
结构分析是产品开发设计过程中最基本，最重要的环节，主要包括零部件及整机在各种工况下的强度、刚度、模态、动力特性、热特性、非线性、灵敏度、结构优化等仿真分析，利用可视化的有限元分析软件对设计好的产品进行分析，技术人员可以在设计过程中直观、准确地预测零部件和整机在各种载荷下的工作状态。除极少数的企业外，目前国内外大多数的家电企业都缺少这一环节。
据报道目前国内外著名的家用电器公司使用了有限元软件对大型对开门冰箱及使用真空绝热板的冰箱进行结构应力分析，分析结果显示对于对开门冰箱每台可以节省10%部件数，相应地每台冰箱节省了2美元的材料费用；对于使用真空绝热板的冰箱，可以重新评价新设计的结构的有效性。在结构分析方面，有限元运用主要体现在设计优化结构，增加结构的刚度、强度，降低材料的使用，节省开发费用。使用传统设计方法开发的冰箱，在优化结构、节省开发费用有广阔的空间。
2、流体力学分析
计算流体力学是制冷、家电产品设计过程中非常重要的问题，空气和其他流体的流动直接导致流动噪声，结构设计的缺陷不仅会增大产品的运行噪声，同时还会降低产品的工作效率，增大能耗。
除了MSC.CFD软件外，目前国外流行的CFD软件还有CDL公司的STAR-CD；近年发展最快、功能最全面的CFD软件当属美国Fluent公司的Fluent软件，此外还有英国AEA公司的CFX软件等。通过上述软件可以帮助工程技术人员在计算机上真实地模拟流场分布情况，对结构进行优化。目前已开始在国内空调器、冰箱上的运用。在日本、韩国及欧洲，CFD分析技术已广泛运用到家电行业中，且已达到实用化阶段。CFD分析技术已经成为白色家电产品设计的主流技术之一。
利用ANSYS软件对一台低温冰箱内温度场进行计算和分析，提出了优化箱内温度场均匀分布的措施。为了减少温差，改善箱内温度分布均匀性，应该采取措施强化低温冰箱内壁的传热过程。在计算过程中假定内壁的温度近似为蒸发器的温度，而实际上，此值是高于蒸发器的温度，故为了使实际情况更接近分析过程，也必须强化内壁的传热过程。
3、噪声研究
凡是具有运动可见的产品都存在振动和噪声的问题，多数的家电产品也都存在噪声问题，噪声是衡量家电产品性能的一个重要指标。随着人们对环境的要求不断提高，噪声指标作为法规条款也会不断提高。家电产品的噪声主要来源于结构振动和空气流动，产品结构特性设计方面的缺陷将直接增大产品的运行噪声。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通过结构特性设计的详细分析，可以准确地识别主要噪声的来源及相应的结构部位，进而可以获得进一步改进的措施与方法。为了降低产品噪声，先要对结构特性和流动特性进行仿真分析，如结构静力特性、动力特性、模态、流场、流固耦合等，并进行相关的结构优化。在噪声分析中，分析冰箱振动模态是很重要的一个工作内容，在产品设计中应避免结构共振而产生大的噪声。
4、疲劳寿命分析
由于家电产品要在各种复杂的载荷环境中工作，因而需要对零件和整机的寿命进行分析，为保证产品具有最佳的经济成本，还需要进行寿命等设计。经过近二十年的发展，计算机耐久性仿真技术已相当成熟，最具代表性的主导仿真软件如MSC.FATIGUE软件，可进行初始裂纹分析、裂纹增长分析、焊接寿命分析、全寿命分析、多轴疲劳计算、整体及局部寿命分析、疲劳优化等，如通过MSC.FATIGUE可以仿真压缩机由于加载所带来的裂纹缺陷的扩展情况和工作寿命，并已被国外各大家电及发动机企业采用。冰箱门铰、风门转动机构等长期处在循环载荷的作用，在冰箱使用中经常发现门铰断裂问题，因此可以借助有限元工具模拟代替样机的开关门试验，节省大量的人力物力。
5、热传递及热应力分析
家电产品中存在大量的热分析问题，据调查，50%以上的家用电子产品的失效是由于传热设计不当所导致。目前绝大多数的开发工程师仍采用既耗时成本又高的试验热测试设备去检验热设计的合理性，制造物理样机、安装测试设备及传感器、测试、数据处理分析等需要相当长的周期，而通过计算机建立产品的热模型进行模拟仿真分析则可很快、很方便地获得产品热性能方面的大量信息。在使用中，家用电器由于温度不均匀性的影响，受约束机构会因受热应力而引起变形，影响家用电器的外观、性能，使产品报废率提高，增加了冰箱的开发费用。通过对产品主要部件热应力及变形的分析预测，可以开发设计出满足刚度、强度的结构，防止因为设计完成后报废而带来更大的经济损失。
6、跌落、碰撞分析
家电产品在运输、使用中会发生跌落、碰撞的情况，产品必须具有一定的承受能力。批量生产前必须进行样机耐跌落、碰撞试验。样机试验当然是非常有效、必要的手段，但是成本昂贵，周期长，且必须在产品制造实现之后才能进行。CAE仿真技术为跌落、碰撞研究提供更为有效的方法，在产品的设计阶段即可实施。具有代表性的跌落、碰撞仿真分析软件有MSC.DYTRAN，主要用于求解高度非线性的瞬态动力学、固体、流体、流固耦合等问题，已广泛运用于家电的碰撞、冲击、安全防护等领域。
7、加工工艺性
家电产品从设计到成品要经过多种工艺环节，产品设计的质量直接关系到制造成本和市场竞争力，国外家电企业在产品设计阶段就大量利用计算机仿真其产品的加工工艺性。常用的加工手段有：注塑、冲压、铸造、机械加工等，其中机械加工在模拟在CAD/CAM系统中已有普遍运用。这里主要是指注塑、冲压、铸造、锻压方面的计算机仿真。家电产品大量使用塑料材料并采用注塑技术，如果设计稍有不合理之处就会造成较高的加工报废率，而且修改设计将会增加设计周期，提高生产成本。
结束语
通过引进和广泛采用CAE技术，可以在设计环节就对设计方案进行详细的仿真分析、评价和优化改进，使产品具有良好的静态性能、动态性能、较高的可靠性、最低的经济成本，同时大大缩短设计周期，改变目前产品要在投入大量的资金、产品开模生产出来后才能发现缺陷、反复修改的被动落后局面，将产品开发从CAD/CAM阶段提升为更高层次的CAE阶段，通过CAD/CAE/CAM系统的集成化，在实际产品制造实现之前就可以完成产品设计制造过程的全面仿真、分析，形成“数字化产品”，逐步进入虚拟设计、虚拟制造、敏捷制造的更高层次。
参考文献
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[3]李翔.关于CAE在家用电器开发设计中的应用研究[J].科技致富向导，2013.
论文作者:张伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/4
标签：产品论文; 噪声论文; 结构论文; 冰箱论文; 家电产品论文; 产品设计论文; 软件论文; 《建筑学研究前沿》2018年第10期论文;