洗衣機聯合模擬集結和推演設計觀點(Samsung)

此案例使用Hexagon模擬軟體: Adams、Marc、MSC Cosim

內容編譯自Adams Simulation Helps Gather Design Insight。作者: Seung-Oh Kim, Samsung Electronics and Hemanth Kolera, MSC Software。

以MSC CoSim進行洗衣機Adams-Marc的耦合分析

三星電子是世界上最大的電子製造廠之一，遍佈超過80個國家，有約30多萬名員工。2018年六月，三星電子的市值約美金3259億元。同年，三星電子榮獲大型家電品牌領導者的殊榮。2019年,根據JD Power&Associates的資料，三星在前置和上置式的洗衣機中, 客戶滿意度排名第一。

洗衣機在日常生活中是必備品。洗衣機設計的進步包括容量和旋轉速度的增加。然而，業界普遍想要將產品減重和降低成本的想法，往往和設計的初始用意相抵觸。洗衣機的減振一直是產品開發上的挑戰。在旋轉循環中，不平衡的離心力會造成震動和搖晃。減少這樣的震動，對洗衣機的靜音和良好的使用經
驗都非常重要。

現代的洗衣機是一個複雜的多體(multi-body)系統，內有一個滾筒，懸掛在一端或兩端帶有軸承的洗衣缸上。洗衣機的運作是根據感測器的數值進行主動控制。感測器測量水位、溫度、負載和滾桶運動等洗衣機運作時的參數。滾筒的旋轉讓衣物清潔劑和水流動以清潔衣物，而在循環的甩乾階段讓衣物脫水。這裡的滾桶使用懸掛系統懸掛在外殼內，目的在限制振動從洗衣缸傳播到外殼，甚至從外殼傳播到地板。

對洗衣機的動力學進行模擬、建模和分析都是相當大的挑戰。因為洗衣機由多個高度非線性元件組成，例如摩擦阻尼器、橡膠腳、橡膠襯套等。

三星電子已投入資源開發可以建立分析模型和計算洗滌動力學的方法。然後，基於這個分析模型而來的特有見解，再進一步用於開發洗衣機的減振技術。三星電子的洗滌動力學分析路線圖起於開發能準確捕捉基本物理現象的可靠模型。這樣的模型能將彈簧、阻尼器和隔膜特性以及 彈性體材料都在模型內精確地表現出來。更進一步，則是將分析模型用於減少噪音和振動的研究，以優化設計。當然，這種模型最終的目標是要能模擬真實洗衣機在洗衣物的狀況。

前置式的滾筒洗衣機在門周圍有一個大的灰色墊圈或隔膜密封件。該墊圈可防止使用時水流出洗衣機。隔膜的一側連接到框架，另一側連接到洗衣缸。除了防漏外，墊圈還可在框架和洗衣缸之間提供隔振效果，並防止洗衣機卡住。墊圈的剖視圖（圖 1）。

圖1，標示1的部分，提供門和玻璃間的密封。標示3的部分與滾筒之間沒有接觸。墊圈設計必須確保墊圈的中間部分(標示 2)沒有接觸或磨損。洗衣的負載從墊圈傳遞到彈簧阻尼器、懸掛系統，然後傳遞到主機架。

我們使用Adams-Marc聯合模擬的功能將幾何和材料非線性行為，納入多體動力學(Multi-Body Dynamics, MBD)的模擬。任何Adams模型和Marc 模型都可以於MSC CoSim進行聯合模擬。後處理則分開進行，Adams的結果在Adams處理，Marc的分析結果在Marc後處理器中處理。如同Adams的MBD解決方案和Marc非線性分析的聯合模擬，能提供幾項優勢。非線性有限元素分析可以準確描述柔性體的非線性行為，包括塑性變形，非線性材料、大變形、挫曲和零組件在變形過程中的自我接觸行為等。而MBD模型可以準確建立系統模型，設定零件的真實非線性邊界條件。聯合模擬相較建立完整的非線性有限元素模型，模擬計算的速度更快，同時也不會失去精確度。過去三星電子使用的隔膜模擬方法，沒有使用Adams-Marc聯合模擬，僅使用Marc分析，也就是沒有用Adams模擬整體的系統效應，較難捕
捉到實際的系統動態，對產品在設計過程，提供決策的價值有限。

洗衣機動力學的Adams模型包括彈簧、阻尼器和隔膜。在這個模型裡，彈簧為預加載彈簧，是具有拉力的元件，而阻尼器為兩階段的非線性阻尼元件。隔膜則為襯套元件，剛性是由Marc的模擬分析計算而來的（圖 2）。

聯合模擬利用Marc模型來呈現非線性材料的特性。隔膜的橡膠材料特性，則是以實際測試後建立的材料實證模型(Emperical Model)來表示。這個材料模型中的各個常數則由材料測試的結果計算而來。將材料測試結果轉換為在Marc內使用的材料模型的流程，顯示在(圖 3)。

前述的橡膠材料數據，是依據實驗材料的張力、平面張力而來。這類的材料實驗有雙軸拉伸和剪切等實驗。收集到的實驗數據(曲線)透過和材料模型的擬合，如Mooney、Ogden等內建在Marc軟體中的材料數學模型，計算出數學模型中的常態係數。在進行實驗數據與材料模型擬合時，可優先進行應變和各應變區間(分層級)的擬合。有了以上由實驗曲線擬合的材料模型數據，就能在Marc中計算各種分析，如圖4所示。

Marc能進行線性簡諧分析以計算隔膜的自然頻率，再估算振動程度。而Marc的非線性靜態分析則可用於預測等效剛性和計算任何接觸行為。從Marc計算得到的主剛性(primary stiffness)值帶入 Adams的剛性多體動力學模型。Adams模型可以預測動態加速度/位移和負載轉移到框架的狀況。除了計算洗衣機框架上的負載，Adams-March聯合模擬可以進行瞬態動力學(transient dynamics)模擬以評估變形、接觸和挫曲。

在這裡，Adams和Marc (v18.1)之間的耦合是使用MSC CoSim v1.6來建立。 MSC CoSim引擎的開發是作為軟體聯合模擬時相接的介面，用於不同求解器或多物理場框架內的學科間進行直接耦合。 Adams的 .ADM和 .ACF 文件以及Marc的 .DAT文件都能用MSC CoSim的介面匯入。Adams的分析條件包括不平衡的衣物量500克，用於激發振動。馬達最大轉速設定為1300rpm。Marc的兩個分析案例，是兩個不同幾何形狀的隔膜，分別是加上側邊肋條和沒有側邊肋條。

從聯合模擬的結果(圖5)可以看出，當洗衣缸的加速度/位移增加時，相較襯套的模型相比，框架前方的受力卻減少。根據以上，我們比較模擬結果能直接有助於設計決策，例如從零件的總應變和兩種不同設計的墊圈的法向(正向)接觸力來決定要採用哪一種設計。在此案例，以兩種軟體進行聯合模擬的方式探討洗
衣機動力學，無論是在系統或零組件的等級，都成功地幫助三星電子更深入了解設計。下一步，三星的聯合模擬將涉及更進階的模擬技巧以解決設計上的需求，例如藉由模擬分析來減振和使用優化的聯合模擬分析條件做出更堅固的設計。

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