跌落仿真技术在家电产品品质提升中的应用

范正炼 马荣鑫 宋畅

美的厨热事业部 广东佛山 528000

0 引言

家电市场竞争愈演愈烈，如何在更短的开发周期内，开发出成本更低、品质更高的家电产品，一直都是各大家电企业研究的重点。一款新的家电产品的开发设计，以往主要是依靠结构工程师的经验进行设计，通过实体产品的测试才能了解产品的功能和结构可靠性，物理试验是结构工程师提出品质提升方案的主要途径。

但是，工程经验结合物理试验的设计方法，由于存在成本高，周期长，覆盖工况少，无法过滤无效的迭代方案等局限性，越来越难以满足家电行业快速发展的需求，这就需要我们拓宽思路，引入新的设计方法。

近年来，随着商业有限元软件、计算机硬件技术的快速发展，大型复杂仿真模型的求解效率越来越高，使仿真技术应用到家电产品开发成为了可能。通过仿真技术，对产品进行虚拟的测试试验，提前预判产品的失效风险，给工程师提供了一种新的设计思路。

跌落仿真技术的应用，已有的研究工作有：樊建军[3]等基于显式动力学理论，对冰箱进行跌落仿真分析并提出优化方案，优化方案仿真计算结果显示冰箱跌落冲击加速度、发泡腿应力以及压缩机底板变形均小于原方案的跌落数据；刘显威[4]等利用CAE仿真技术对一款包装存在过保护的分体室内挂机进行仿真建模与运算，通过仿真对比结果与实测对比结果发现优化方案对产品的保护效果更佳，产品品质得到改善；刘国虬[5]对空调室外机结构进行建模，并利用ABAQUS软件中的动态计算模块对空调室外机多种跌落过程进行了仿真分析，仿真结果表明，左支撑与右后板在跌落中容易发生塑性变形，同时比较了不同角度跌落对于室外机结构的破坏程度。张鹏娥[6]等用LS-DYNA对空调内机进行连续跌落仿真，并做出加速度标定，为建立更精准的跌落模型提供了解决方案。赵新伟[7]用abaqus对电热水器进行跌落仿真，通过分析机器外壳及泡沫包装的应力应变对包装方案进行改进。

从以上研究工作可以看出，研究者更多是从单一维度提出改善方案，同时，只做优化前后方案的对比分析，缺少对于如何从包装结构和产品结构出发提出综合改善方案，如何通过失效分析给出下一轮的改善方案，通过迭代找出有效改善方案的研究。

本文以某款带包装洗碗机整机为研究对象，建立其三维仿真模型，采用Radioss求解器对其进行冷冻跌落仿真分析，用材料常温的屈服强度作为失效判据以近似材料冷冻变脆的性能，预测洗碗机在跌落过程中结构存在的失效风险。其中，冷冻跌落根据企业内部标准进行，将整机放入冷冻箱，温度设置为-30℃，保持4个小时，取出后进行跌落测试试验。结合仿真结果分析结构产生失效风险的原因，通过多轮仿真迭代优化，从包装结构和产品结构出发，找出了有效的综合改善方案。借助跌落仿真技术，快速有效地提升了洗碗机产品的抗跌落性能。

1 材料数据准备

为了准确预测带包装洗碗机的抗跌落性能，对整机关键部件所用到的材料，如，钣金件、塑料件、包装缓冲件等进行了材料性能的测试试验，同时，通过虚拟仿真模拟了材料性能测试试验，对仿真材料本构数据进行了对标。

以洗碗机中最常用的钣金件为例，采用LAW36（/MAT/PLAS_TAB）描述，LAW36可以以曲线的方式描述不同应变率下材料的塑性力学行为。

通过单轴拉伸试验得到的应力应变数据是工程应力和工程应变数据，如果要在Radioss中定义材料的塑性段数据，需要将工程应力和工程应变数据转换成真实应力和真实塑性应变数据[1]，通过以下公式进行转换：

其中，σt为真实应力，σnom为工程应力，εt为真实应变，εnom为工程应变，εpl为真实塑性应变；其中，真实应变εt的换算公式为：

本文采用HyperMesh对试件进行仿真建模，将处理好的材料数据输入到仿真模型，并据此对试件进行虚拟的单轴拉伸试验，如图1所示，虚拟的单轴拉伸试验得到的力-位移曲线与物理试验得到的力-位移曲线可以很好吻合，证明了钣金件材料本构数据的准确性。具体材料参数如表1所示。

表1 材料参数表

图1 SUS304金属单轴拉伸试验仿真与试验力位移曲线对比

2 产品概况与模型建立

2.1 产品概况

洗碗机主要由六大组件组成：外壳组件、门组件、内胆组件、碗篮组件、水路系统和底盘组件。产品爆炸图如图2所示。

图2 洗碗机产品爆炸图

2.2 跌落模型建立

本文采用前处理软件HyperMesh进行建模，根据洗碗机各部件的受力特性进行单元选择，钣金件等薄壁结构件采用壳单元模拟，单元类型为/SHELL单元；注塑件，EPS泡沫等非薄壁结构件采用实体单元模拟，单元类型为/BRICK单元，或/TETRA10单元；跌落测试场景采用的地面是钢板，采用刚体单元模拟，在柔性体的基础上建立RBody。

不考虑螺钉连接失效，在连接件之间建立刚体单元进行模拟，单元类型为/RBODY，不考虑焊接失效，在连接件之间建立焊缝或焊点单元进行模拟，单元类型为/SPRING。在跌落测试试验中，螺钉连接和焊接一般是比较牢固的，在仿真中不考虑失效，是合理的。

将整机包装模型与刚性地面装配在一起，建立整机跌落仿真模型，不同的跌落工况，整机保持位置不变，通过旋转地面来实现位置装配。跌落仿真分析的起点是整机刚接触地面的时刻，从初始跌落高度到整机刚接触地面这段时间是空程，在仿真分析中不予考虑。洗碗机的跌落仿真模型如图3所示。

图3 洗碗机跌落仿真模型

2.3 初始条件和边界条件

洗碗机保持不动，通过布置不同角度的地面，模拟不同的跌落工况，包括面跌、棱跌和角跌等。每个工况的初始速度大小根据跌落高度计算，其分量根据跌落工况的不同分解后施加。考虑重力加速度的影响，重力加速度的分量根据跌落工况的不同分解后施加；约束刚性地面参考点所有自由度。不同的跌落工况，具体如表2所示。

3 带包装洗碗机整机冷冻跌落仿真及优化

3.1 显示动力学理论

在t时刻的动力学平衡方程[2]为：

其中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，Ut为t时刻的位移矢量，为t时刻的速度矢量，为t时刻的加速度矢量，Rt为t时刻的外力矢量；

通过泰勒展开，可以得到中心差分法一阶和二阶导数差分格式：

联立以上表达式，可以得到动力平衡方程的中心差分格式：

通过以上方程式，结合边界条件和初始条件，便可以进行迭代求解。

本文采用Radioss显示动力学求解器进行求解，不同的跌落采用不同的计算时间，面跌、棱跌和角跌的计算时间分别为30 ms，45 ms，75 ms，时间步长设置为0.00015 ms，部件之间的接触采用TYPE7进行定义，摩擦系数设置为0.15。

3.2 仿真结果可信性分析

3.2.1 包装跌落计算时间充裕性判断

跌落仿真，首先关心的是计算时间内是否已经捕捉到了产品跌落过程中的最危险时刻。当机器充分接触地面并且将要反弹的时候，为最危险时刻，在能量上的体现为动能最小。如果整机动能的历史输出曲线捕捉到了动能最小时刻，判断计算时间充裕。

3.2.2 质量缩放合理性判断

显示动力学仿真，需要完成成千上万个增量步的计算，为了提高计算效率，一般会设置质量缩放，但是，质量缩放不能任意设置，否则可能导致仿真结果不可信。在工程上一般认为，整机增加的质量与整机的原始质量之比小于5%，仿真结果是可信的。

3.2.3 沙漏控制合理性判断

为了避免完全积分单元产生的剪切自锁，一般采用缩减积分单元。设置沙漏控制可以防止缩减积分单元出现沙漏现象，但是，如果沙漏控制不当，可能导致仿真结果不可信。在工程上一般认为，整机的伪应变能与整机的内能之比小于5%，仿真结果是可信的。

3.3 迭代仿真优化

3.3.1 初始仿真

对所有可能的跌落工况进行仿真，分析发现，靠近底壳开裂位置的角跌是最危险工况，如图4所示，仿真失效位置与失效样机一致，应力值为48.6 MPa，以此跌落工况进行迭代仿真，通过仿真技术，找出品质提升的有效方案。

图4 初始方案仿真测试对比

3.3.2 第一次迭代仿真

对以上仿真结果进行失效分析：底壳侧墙采用翻折结构，非常规闭口结构，整体刚度较弱，加上螺钉位置拉扯，导致跌落瞬间在翻折的边缘出现较高的应力。提出的仿真验证方案是：在底壳薄弱的翻折侧墙上增加一个角钢，并释放翻折侧墙的螺钉连接，如图5所示。

图5 第一次迭代仿真验证方案

如图6所示，根据仿真结果，角钢+释放螺钉连接方案，加强底壳整体刚度，改善明显，应力降为32.5 MPa。此时，应力大于屈服强度14 MPa，需继续迭代仿真。

图6 第一次迭代仿真结果

3.3.3 第二次迭代仿真

对以上仿真结果进行失效分析：底壳翻折位置撞击底部泡沫段差位置，导致跌落瞬间在翻折的边缘出现较高的应力。提出的仿真验证方案是：在支撑脚位置与底部泡沫侧墙之间垫泡沫，并去除底部泡沫的段差，如图7所示。

图7 第二次迭代仿真验证方案

如图8所示，根据仿真结果，垫泡沫方案可以有效防止底壳翻折位置撞击底部泡沫，但是此方案改善不明显，应力降为31.9 MPa。在跌落瞬间，所垫泡沫位移较大，将会撞击底壳翻折位置。对方案进行了调整，将所垫泡沫与底部泡沫融为一体，可以有效防止所垫泡沫撞击底壳翻折位置，应力降为19.0 MPa，改善明显。此时，应力仍然大于屈服强度（14 MPa），需继续迭代仿真。

图8 第二次迭代仿真结果

3.3.4 第三次迭代仿真

对以上仿真结果进行失效分析：底壳局部刚度较弱，导致跌落瞬间在翻折的边缘出现较高的应力19.0 MPa。提出的仿真验证方案是：翻盖边缘内缩，或翻盖底部局部加筋，如图9所示。

图9 第三次迭代仿真验证方案

如图10所示，根据仿真结果，翻盖边缘内缩方案，边缘远离高应力区，改善不明显，应力降为17.6 MPa；翻盖底部局部加筋方案，局部刚度强化后，改善明显，应力降为15.4 MPa，接近屈服强度（14 MPa），与初始仿真对比，应力降幅明显，终止迭代仿真。

图10 第三次迭代仿真结果

3.4 测试试验验证仿真优化方案

将冷冻跌落仿真结果以及有效的改善方案同设计部门沟通之后，设计部门综合采纳了相关建议，对洗碗机以及包装进行了相应的优化设计。优化之后的带包装洗碗机整机通过了冷冻跌落测试试验，仿真中改善明显的方案在测试试验中也被证明是有效的，如图11所示。

图11 仿真改善方案测试结果

4 结论

采用仿真技术，可以协助工程师找出产品失效的原因。通过虚拟的迭代仿真，过滤无效的验证方案，能快速找到有效的改善方案，替代了大多数的测试试验。

（1）本文采用Radioss软件对带包装洗碗机进行冷冻跌落仿真，遍历所有可能的跌落工况，分析发现，靠近底壳开裂位置的角跌是最危险工况，仿真失效位置与失效样机一致，跌落仿真方案比较准确地复现了底壳翻折边缘开裂失效风险。

（2）在传统的研发模式下，工程师只能看到跌落测试完成后的失效样机，失效原因分析的困难较大；本文通过多轮仿真迭代优化，逐轮进行分析，得出底壳开裂翻折边缘开裂的原因是底壳侧墙采用翻折结构，非常规闭口结构，整体刚度较弱；底壳翻折位置撞击底部泡沫段差位置；底壳局部刚度较弱。

（3）本文通过多轮仿真迭代优化，从包装结构和产品结构出发，找出了有效的综合改善方案：在底壳薄弱的翻折侧墙上增加一个角钢，在支撑脚位置与底部泡沫侧墙之间增加泡沫垫特征，并去除底部泡沫的段差，翻盖底部局部加筋；对以上改善方案进行仿真，失效位置应力从48.6 MPa降至15.4 MPa，降幅68.3%，改善效果明显，最终，通过了冷冻跌落测试试验。