作者：Seung-Oh Kim, 三星電子
Hemanth Kolera, MSC Software
三星電子（Samsung Electronics）是全球最大的電子產品制造商之一，業務遍及80多個國家，擁有約308,745名員工。三星電子的Seung-Oh Kim和MSC Software的Hemanth Kolera認為Adams仿真可以幫助其獲得設計見解。截至2018年6月，三星電子的市值為3,259億美元。2018年，三星電子憑借其一系列家用電器產品已成為市場領先的大型家電品牌。對于滾筒洗衣機和波輪式洗衣機，JD Power＆Associates在2019年將三星的客戶滿意度排名第一。
洗衣機是我們日常活動的重要組成部分，洗衣機設計的改進包括容量和旋轉速度的提高，然而，在行業內，機器重量和成本降低，與這些設計指標相沖突。
洗衣機減振也是一項挑戰，在旋轉循環中，機器會產生明顯的不平衡離心力，從而導致振動和搖晃。消除這類振動對于靜音洗衣機的設計和最佳用戶體驗的獲得是至關重要的。
現代洗衣機是一個包含滾筒的復雜的多體系統，滾筒通過一端或兩端的軸承懸吊。洗衣機的運行受傳感器的主動控制，傳感器可測量水位、溫度、負載和滾筒運動等運行參數。滾筒的旋轉運動使得清潔劑和水流動，清潔衣物，之后在甩干階段將水排出。滾筒通過懸掛系統懸吊在殼體內，以限制滾筒到殼體及殼體到地板的振動。
洗衣機動力學的建模和分析是一項艱巨的挑戰，因為洗衣機由幾個高度非線性的元素組成，例如，摩擦阻尼器、橡膠支腳、橡膠襯套等。
三星已經投入了大量資源來開發能夠模擬和預測洗衣機動態性能的方法。基于模型的見解將用于開發降低洗衣機振動的技術。三星的洗滌動力學分析的路線圖首先開發可靠的模型，以準確獲得其基本的物理特性。這涉及彈性體的彈簧、阻尼器和膜片特性以及材料特性的精確建模。在下一個層次上，分析將被用于優化噪聲和振動的設計。最終目標是模擬實際的洗衣運動。
滾筒式洗衣機的門周圍有一個大的灰色墊圈或隔膜密封。墊圈用于防止水從洗衣機中流出。墊圈的一側連接到框架，另一側連接到滾筒。除了防漏外，墊圈還提供了框架和滾筒之間的隔振作用，也可以防止洗衣機卡住（見圖1）。下圖是墊圈的剖視圖。
圖 1
部位1，提供了門和玻璃之間的密封。墊圈的部位3與轉動滾筒之間沒有接觸。墊片的設計必須確保墊圈中間的部位2沒有接觸或磨損。洗滌載荷從墊圈傳到彈簧阻尼器、懸掛系統，然后到主框架。
我們運用Adams-Marc聯合仿真功能，將幾何和材料非線性結構行為包括在多體動力學（MBD）仿真中。任何Adams模型和Marc模型都可以與該工具一起使用。后處理是分開進行的，Adams結果在Adams的后處理器中完成，Marc結果在Marc的后處理器中完成。MBD解決方案（如Adams）和非線性FEA模型（如Marc）之間的聯合仿真提供了許多優勢。非線性有限元分析可以準確地描述柔性組件的非線性行為，包括塑性變形、非線性材料、組件的大變形、屈曲、自接觸等，而MBD模型可以準確地對系統進行建模，并為非線性組件提供真實的邊界條件。聯合仿真模型比完全的非線性有限元模型計算速度要快得多，并且不會影響精度。三星目前的墊圈仿真方法沒有運用Adams和Marc的聯合仿真，因此無法捕獲實際的系統動力學，并且對設計過程的價值有限。
洗衣機動力學的Adams模型，包括彈簧，阻尼器和墊圈的模型。彈簧被模擬成具有拉力的預加載彈簧元件，而阻尼器則被模擬成兩級非線性阻尼器元件。墊圈被模擬成襯套元件，并且主剛度基于Marc分析計算得到（圖2）。
圖 2
Marc模型使用經驗模型，獲得橡膠墊圈的
非線性材料屬性。
使用材料試驗結果可以計算出經驗模型中的各種常數。
獲得非線性材料屬性的工作流程如圖所示（圖3）。
圖 3
材料數據通過簡單拉伸、平面拉伸等試驗來收集，如雙軸拉伸和剪切。
對收集到的數據進行處理，以提取表征非線性材料模型（如Mooney，Ogden等）所需的各種模型系數。
優先考慮數據擬合，以獲得主要的應變和應變水平。
然后，特征化的材料模型在Marc中被用于運行各種分析類型，如圖4所示。
在Marc中執行線性諧波分析，以確定墊圈的固有頻率，
并估算其振動量級。
非線性靜力分析可用于預測等效剛度和任何接觸。
從Marc模型計算得到的主剛度會輸入到一個剛性的Adams多體動力學模型中，該模型可以預測動態加速度/位移以及載荷向框架的傳遞。
除了計算洗衣機框架上的載荷， Adams-Marc聯合仿真還可以用來執行瞬態動力學仿真，以評估變形、接觸和屈曲。
圖 4
Adams和Marc（v18.1）之間的耦合是使用MSC CoSim v1.6建立的。開發MSC CoSim，就是為了提供一個聯合仿真接口，以便在多物理框架內直接耦合不同的求解器/學科。Adams的.ADM和.ACF文件以及Marc的.DAT文件都被導入CoSim界面。
Adams分析條件包括500g的不平衡衣物載荷，用于觸發振動。電機的最大轉速設置為1300rpm。對兩種不同的墊圈幾何，評估了兩種Marc具體情況，帶和不帶側肋。
圖 5
從聯合仿真的結果（圖5）可以看出，相比于襯套模型，滾筒的加速度/位移提高了，而框架前部
受力減小了
。
可以基于對兩種墊圈設計的模擬指標（例如，總應變和接觸法向力）的直接比較來做出設計決策。通過聯合仿真探索洗衣機的動力學特性，已幫助三星在系統和組件級別上獲得了設計見解。三星聯合仿真之旅的下一步，將涉及更深入的基于仿真的探索，利用最優化的聯合仿真分析條件集進行減振和魯棒性設計。
