松下环境系统利用HyperWorks缩短室内空气净化产品的研发周期

项目介绍

松下环境系统有限公司是松下公司下属的生态解决方案公司。在松下集团内，松下环境系统在全球销售室内空气净化（IAQ）产品和解决方案起着重要作用，为世界各地的人们提供舒适的生活空间，同时降低对环境的影响。

挑战

“由于样机和量产产品的材料不同，所以用样机进行的跌落测试结果来评估产品通常是不可靠的，结果也不准确，” Hironari Ogata工程师解释道，“而用量产产品的测试品进行跌落测试有可能由于需要修改模具而产生昂贵的费用。” Ogata知道在完成产品设计前进行跌落测试的虚拟仿真可以减少损失。RADIOSS，领先的结构分析求解器，可以在动态载荷下进行高度的非线性问题分析，如冲击分析。作为Altair HyperWorks计算机辅助工程工具的重要组成部分，RADIOSS已经是松下公司进行其他结构分析的工具。“这就可以有效利用现有资源。”他指出，“不需要新的投资，这种分析可以应用在其他领域的产品开发上。”

解决方案

Ogata的团队建立了一个多步骤计划来分析产品在不同开发阶段的性能。他们开始进行单一组件的跌落测试，然后到几个部件的组合，再到组装产品和包装产品。每一个步骤，该团队都采用了Altair RADIOSS求解器来计算跌落测试的影响。

单一部件

第一阶段，该团队分析单个部件的跌落分析，例如，安装在天花板上的风机面板的跌落测试，如浴室通风干燥机。这个部件在维修过程中会拆除，也有可能会直接掉下来。面板厚500mm，每一面都是由ABS树脂制成，从1米高的高度跌落。

利用HyperMesh创建一个前面板搁置在硬地板上方空间的模型，模拟条件是面板一角掉落下来，撞击地面。工程师利用HyperView来观察结果，动画显示面板跌落时产生了碰撞而引起变形。

HyperView结果显示，在冲击的时候，首先产生角变形，随后整个前面板以菱形状产生变形。

分析结果显示表明，最大应力是在角上产生，其次是过滤网。工程师又修改了面板几个区域内的厚度和形状，其结果模型用于产品设计中，降低了模具开发相关的损失，并缩短了设计周期。

安装在天花板通风机面板的跌落测试 仿真结果表明过滤网一角上的高度集中应力 两个电线附件的前面板仿真

带附件的组件

测试的第二阶段，该团队分析了带有两个电线附件和2根20厘米长的用来防止其跌落的导线的前面板。“电线附件的强度是很重要的，”Ogata说，“因为当面板掉落引起导线伸展，因此电线附件由于冲击而破裂，则这种设计则毫无意义。”

在跌落测试后，HyperView以动画的形式展示了分析结果，动画显示当面板全部展开，导线延展到其最长长度时的一个固定点的应力变化，随后的最大应力出现在导线第二次伸展的时候。该团队研究面板的形状、位置和附件数量，从而降低应力，并将结果应用到设计中，加快设计周期，降低试验成本。

几个部件的组合

另一个分析案例是更复杂组件的分析，如加湿空气净化器的水箱，这是由几个部件组合而成，各个部件之间相互连接。ABS盖连接在水箱轴上，并用螺钉固定，因此当容器装满水后，聚丙烯制成的立脚可能受到自身重量的影响而转动。

水箱完全装满以防止水的晃动，测试的跌落高度分别设置为1米和0.6米来模拟手提着水箱的高度，以及0.1米来模拟水箱放下的高度。

分析显示，从1米跌落的冲击导致立脚断开。在0.1米时，立脚几乎全部断开。工程师修改了立脚的形状以避免断开和损坏，然后将其结果应用到设计中缩短评估周期，降低了生产成本。

装配产品

更复杂的分析是一个完整的装配产品，如多种部件组成的桌面加湿器。跌落高度为80里米，符合测试标准的规定，加湿器分别以45°、135°和225°角度跌落。在45°时跌落的时候，最大应力出现在连接面板和框架的孔上。在135°跌落的时候，水箱固定夹产生了一个巨大应力。

该团队修改了夹子的形状，并且找到了减少部件厚度和重量的方法，然后利用这些结果来缩短评估时间，降低试制产品和材料的成本。此外，由高速摄像机拍摄的一款量产的试制产品跌落测试视频和由仿真分析生成的动画匹配度相当好，都显示了水箱弹出、过滤盖飞离的过程。

左：带有立脚和盖板的水箱模型 右：应力结果比较

左：仿真与试验结果相关性很好
中：从不同角度进行跌落测试的桌面加湿器的有限元模型
右：仿真帮助风扇包装的再设计

包装产品

松下的虚拟分析流程中的最后阶段是分析一个包装产品的跌落测试，包括产品和包装材料。在这个例子中是一个边长为250毫米的立方体，大多数部件由树脂组成，包装材料是硬纸板。产品从80厘米的高度跌落，根据不同缓冲材料的弹性系数进行了多次分析，直到和物理测试所获得的冲击加速度一致。

分析表明，缓冲材料的初始布局可能会导致部件之间的接触而破损。该团队发现，通过去除支撑管的包装部分，可以避免破损。产品的物理测试也显示了和初始布局类似的损坏，因此公司开始大量生产合适的缓冲材料。这样的分析和改进降低了产品及包装材料的成本，加快产品投入市场。

“通过改进我们每一个研发阶段的技术，我们达到了包装产品跌落测试的技术目标。”Ogata说道。

结论

2010年的首次测试以来，松下公司在产品开发中普遍利用Altair HyperWorks进行跌落测试分析。“RADIOSS可以轻松对部件之间进行接触定义，其仿真结果也非常可靠，”Ogata说，“除此之外，新版的HyperMesh在建模操作上有了新的改进。这些功能的使用在最近这段时间内都体现了很好的优势。仿真技术已经被广泛的使用，以弥补三维CAD设计的无法实现的功能，例如确定部件的接头强度等。我们将在未来扩大使用HyperWorks，以提高我们在虚拟研究和评估领域的分析技术。”