Adams-Marc联合仿真帮助三星获得设计见解
作者：Seung-Oh Kim, 三星电子
Hemanth Kolera, MSC Software
三星电子（Samsung Electronics）是全球最大的电子产品制造商之一，业务遍及80多个国家，拥有约308,745名员工。三星电子的Seung-Oh Kim和MSC Software的Hemanth Kolera认为Adams仿真可以帮助其获得设计见解。截至2018年6月，三星电子的市值为3,259亿美元。2018年，三星电子凭借其一系列家用电器产品已成为市场领先的大型家电品牌。对于滚筒洗衣机和波轮式洗衣机，JD Power＆Associates在2019年将三星的客户满意度排名第一。洗衣机是我们日常活动的重要组成部分，洗衣机设计的改进包括容量和旋转速度的提高，然而，在行业内，机器重量和成本降低，与这些设计指标相冲突。洗衣机减振也是一项挑战，在旋转循环中，机器会产生明显的不平衡离心力，从而导致振动和摇晃。消除这类振动对于静音洗衣机的设计和最佳用户体验的获得是至关重要的。现代洗衣机是一个包含滚筒的复杂的多体系统，滚筒通过一端或两端的轴承悬吊。洗衣机的运行受传感器的主动控制，传感器可测量水位、温度、负载和滚筒运动等运行参数。滚筒的旋转运动使得清洁剂和水流动，清洁衣物，之后在甩干阶段将水排出。滚筒通过悬挂系统悬吊在壳体内，以限制滚筒到壳体及壳体到地板的振动。
洗衣机动力学的建模和分析是一项艰巨的挑战，因为洗衣机由几个高度非线性的元素组成，例如，摩擦阻尼器、橡胶支脚、橡胶衬套等。三星已经投入了大量资源来开发能够模拟和预测洗衣机动态性能的方法。基于模型的见解将用于开发降低洗衣机振动的技术。三星的洗涤动力学分析的路线图首先开发可靠的模型，以准确获得其基本的物理特性。这涉及弹性体的弹簧、阻尼器和膜片特性以及材料特性的精确建模。在下一个层次上，分析将被用于优化噪声和振动的设计。最终目标是模拟实际的洗衣运动。滚筒式洗衣机的门周围有一个大的灰色垫圈或隔膜密封。垫圈用于防止水从洗衣机中流出。垫圈的一侧连接到框架，另一侧连接到滚筒。除了防漏外，垫圈还提供了框架和滚筒之间的隔振作用，也可以防止洗衣机卡住（见图1）。下图是垫圈的剖视图。
图 1
部位1，提供了门和玻璃之间的密封。垫圈的部位3与转动滚筒之间没有接触。垫片的设计必须确保垫圈中间的部位2没有接触或磨损。洗涤载荷从垫圈传到弹簧阻尼器、悬挂系统，然后到主框架。
我们运用Adams-Marc联合仿真功能，将几何和材料非线性结构行为包括在多体动力学（MBD）仿真中。任何Adams模型和Marc模型都可以与该工具一起使用。后处理是分开进行的，Adams结果在Adams的后处理器中完成，Marc结果在Marc的后处理器中完成。MBD解决方案（如Adams）和非线性FEA模型（如Marc）之间的联合仿真提供了许多优势。非线性有限元分析可以准确地描述柔性组件的非线性行为，包括塑性变形、非线性材料、组件的大变形、屈曲、自接触等，而MBD模型可以准确地对系统进行建模，并为非线性组件提供真实的边界条件。联合仿真模型比完全的非线性有限元模型计算速度要快得多，并且不会影响精度。三星目前的垫圈仿真方法没有运用Adams和Marc的联合仿真，因此无法捕获实际的系统动力学，并且对设计过程的价值有限。
洗衣机动力学的Adams模型，包括弹簧，阻尼器和垫圈的模型。弹簧被模拟成具有拉力的预加载弹簧元件，而阻尼器则被模拟成两级非线性阻尼器元件。垫圈被模拟成衬套元件，并且主刚度基于Marc分析计算得到（图2）。
图 2
Marc模型使用经验模型，获得橡胶垫圈的非线性材料属性。使用材料试验结果可以计算出经验模型中的各种常数。获得非线性材料属性的工作流程如图所示（图3）。
图 3
材料数据通过简单拉伸、平面拉伸等试验来收集，如双轴拉伸和剪切。对收集到的数据进行处理，以提取表征非线性材料模型（如Mooney，Ogden等）所需的各种模型系数。优先考虑数据拟合，以获得主要的应变和应变水平。然后，特征化的材料模型在Marc中被用于运行各种分析类型，如图4所示。在Marc中执行线性谐波分析，以确定垫圈的固有频率，并估算其振动量级。非线性静力分析可用于预测等效刚度和任何接触。从Marc模型计算得到的主刚度会输入到一个刚性的Adams多体动力学模型中，该模型可以预测动态加速度/位移以及载荷向框架的传递。除了计算洗衣机框架上的载荷， Adams-Marc联合仿真还可以用来执行瞬态动力学仿真，以评估变形、接触和屈曲。
图 4
Adams和Marc（v18.1）之间的耦合是使用MSC CoSim v1.6建立的。开发MSC CoSim，就是为了提供一个联合仿真接口，以便在多物理框架内直接耦合不同的求解器/学科。Adams的.ADM和.ACF文件以及Marc的.DAT文件都被导入CoSim界面。
Adams分析条件包括500g的不平衡衣物载荷，用于触发振动。电机的最大转速设置为1300rpm。对两种不同的垫圈几何，评估了两种Marc具体情况，带和不带侧肋。
图 5
从联合仿真的结果（图5）可以看出，相比于衬套模型，滚筒的加速度/位移提高了，而框架前部受力减小了。可以基于对两种垫圈设计的模拟指标（例如，总应变和接触法向力）的直接比较来做出设计决策。通过联合仿真探索洗衣机的动力学特性，已帮助三星在系统和组件级别上获得了设计见解。三星联合仿真之旅的下一步，将涉及更深入的基于仿真的探索，利用最优化的联合仿真分析条件集进行减振和鲁棒性设计。
