有限元分析在智能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探究

曹家港　劉鍵　彭琪

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2021）11-0126-04

引言

在信息時(shí)代下，大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字技術(shù)威力初顯，正積極與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，完成信息化與工業(yè)化的“兩化融合”。各個(gè)領(lǐng)域普遍開展產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)變。工業(yè)設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域也與時(shí)俱進(jìn)，積極吸取大數(shù)據(jù)、人工智能等重要信息技術(shù)，不斷探尋與設(shè)計(jì)研究的結(jié)合點(diǎn)，通過技術(shù)賦能深度挖掘設(shè)計(jì)潛能。學(xué)界也積極開展相關(guān)探索，微觀層面有如裴卉寧等人，對(duì)深度學(xué)習(xí)算法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用開展的研究;也有宏觀層面如陸繼翔等人對(duì)數(shù)字化下衍生出的智能設(shè)計(jì)趨勢(shì)做的研究。與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合豐富了設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，拓寬了設(shè)計(jì)的邊界。在可以預(yù)見的未來，工業(yè)設(shè)計(jì)與數(shù)字技術(shù)的融合研究還將會(huì)在多角度，各層次依次展開，這也為設(shè)計(jì)助力國(guó)家制造業(yè)升級(jí)增添新的動(dòng)力。

一、智能設(shè)計(jì)研究簡(jiǎn)述

（一）智能設(shè)計(jì)研究簡(jiǎn)述

多學(xué)科、多領(lǐng)域融合發(fā)展是工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展的重要特征。數(shù)字化時(shí)代下，其中一個(gè)重要方向是設(shè)計(jì)研究的“脫實(shí)向虛”，即以數(shù)字形式，借助數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等智能方法進(jìn)行，即 智能設(shè)計(jì)。學(xué)界對(duì)智能設(shè)計(jì)的研究方興未艾，切入點(diǎn)各異，總結(jié)后其大致包括“以數(shù)字信息為主要設(shè)計(jì)資料，以智能方法為主要設(shè)計(jì)方式，以數(shù)字形式為主要呈現(xiàn)方式”三個(gè)主要環(huán)節(jié)。

1.以數(shù)字信息為主要設(shè)計(jì)資料

如今世界已然進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，對(duì)數(shù)據(jù)的重視與利用是這個(gè)時(shí)代的注腳。設(shè)計(jì)研究者也將目光投向大數(shù)據(jù)，從中篩選出用戶需求、市場(chǎng)走向等關(guān)鍵信息，并以此為主要設(shè)計(jì)依據(jù)推動(dòng)后續(xù)設(shè)計(jì)過程。這個(gè)環(huán)節(jié)的研究重點(diǎn)在于如何從海量數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取關(guān)鍵信息。基于此，很多設(shè)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)者都對(duì)此作了研究嘗試。針對(duì)產(chǎn)品評(píng)論，有劉鍵?等人基于文本挖掘，提出了一套基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化生成設(shè)計(jì)方法，極大地提高了設(shè)計(jì)效率;針對(duì)產(chǎn)品族生命周期賴榮燊等人通過選取產(chǎn)品族生命周期數(shù)據(jù)，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品族綠色化再設(shè)計(jì)系統(tǒng)方法，并闡述了該系統(tǒng)方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與使能技術(shù)/思路。

這些研究都是將相關(guān)數(shù)據(jù)作為研究的源頭，并完全承載了后續(xù)研究過程，對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用主導(dǎo)了整個(gè)設(shè)計(jì)過程。這些都證明了數(shù)據(jù)對(duì)于設(shè)計(jì)的價(jià)值，是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的基石。以數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)資料需要有多層次、針對(duì)性的數(shù)據(jù)處理方法的支持，包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)挖掘等步驟，可以根據(jù)具體需求用網(wǎng)絡(luò)爬蟲，python的pandas庫(kù)，SPSS，自然語(yǔ)言處理等技術(shù)來完成。細(xì)分來講，對(duì)不同的研究任務(wù)，采用的數(shù)據(jù)類型（該數(shù)據(jù)是否是所需信息的映射）、原始數(shù)據(jù)—設(shè)計(jì)信息對(duì)應(yīng)方式（能否設(shè)計(jì)出有效的對(duì)應(yīng)方法），語(yǔ)義提取所用的算法（自然語(yǔ)言處理結(jié)果的準(zhǔn)確率如何）等細(xì)節(jié)問題都會(huì)直接影響研究結(jié)果。數(shù)據(jù)的選取決定了研究結(jié)果的合理性與上限，算法決定了結(jié)果的準(zhǔn)確性，需慎重對(duì)待。其中每個(gè)環(huán)節(jié)都值得深入研究，在此就不做深入探討了。

2.以智能方法為主要設(shè)計(jì)方式

徐懸等人以智能化水平為標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)計(jì)方法分為“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、基于程序的設(shè)計(jì)方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生成設(shè)計(jì)方法”三類，其中后兩類與以數(shù)字技術(shù)為主的設(shè)計(jì)方式大致相當(dāng)。特點(diǎn)是以計(jì)算機(jī)特定算法，或深度學(xué)習(xí)等人工智能方法解決設(shè)計(jì)關(guān)鍵決策，在設(shè)計(jì)求解環(huán)節(jié)占有很大比重。

可以說這個(gè)環(huán)節(jié)最淋漓盡致地展現(xiàn)了智能設(shè)計(jì)中“智能”特點(diǎn)。工業(yè)設(shè)計(jì)是理性與感性交叉的學(xué)科，智能方法主要幫助設(shè)計(jì)師完成設(shè)計(jì)決策，如初建杰等人基于分類器鏈算法，結(jié)合混淆矩陣，構(gòu)建了一種產(chǎn)品多標(biāo)簽意象識(shí)別方法，能快速識(shí)別用戶對(duì)產(chǎn)品意象的認(rèn)知;對(duì)于一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)目標(biāo)則有更直接的嘗試，如Oh S等人提出了一種將遺傳算法與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的設(shè)計(jì)自動(dòng)化過程，能夠按照一定既定規(guī)則，自動(dòng)化地生成汽車車輪方案，極大推動(dòng)了設(shè)計(jì)進(jìn)程。這個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)研究與智能化結(jié)合度較高，包括多種深度學(xué)習(xí)、人工智能方法，結(jié)合點(diǎn)也有諸多差別，有簡(jiǎn)單地利用智能方法完成單個(gè)步驟的求解，也有直接生成最終的方案。但也有一定缺點(diǎn)，諸如欠缺考慮某些隱性設(shè)計(jì)因素，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，或是市場(chǎng)變化導(dǎo)致結(jié)果有很強(qiáng)的滯后性等。另外還有個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，即機(jī)器生成的設(shè)計(jì)方案大多不夠精致，難以直接投入市場(chǎng)。而建設(shè)能產(chǎn)出高質(zhì)量作品的程序又需要極大的訓(xùn)練成本，因此該研究路徑前路漫漫，距離全面投產(chǎn)還有較長(zhǎng)的路要走。

3.以數(shù)字形式為主要呈現(xiàn)方式

長(zhǎng)久以來，設(shè)計(jì)軟件都是設(shè)計(jì)師完成設(shè)計(jì)的重要途徑，如solidworks，犀牛等都廣泛應(yīng)用在設(shè)計(jì)當(dāng)中。但如今軟件并不只是作為單純的設(shè)計(jì)方案“描述”工具，通過學(xué)者的發(fā)掘，如今設(shè)計(jì)軟件還帶有輔助生成，自定義開發(fā)等高階功能。如劉永紅等人總結(jié)的一系列“基于CAD參數(shù)化的生成式產(chǎn)品設(shè)計(jì)”文獻(xiàn)，就是軟件輔助生成的典型案例，使設(shè)計(jì)師從創(chuàng)建者的角色轉(zhuǎn)變到評(píng)估者的角色。又如邰鑫等人利用VC對(duì)SolidWorks進(jìn)行了二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。此外還有零部件庫(kù)、方案快速生成、方案即時(shí)評(píng)估等功能。

數(shù)字化的方案呈現(xiàn)給智能技術(shù)的嵌入提供了基礎(chǔ)，而智能化的方案呈現(xiàn)方式能極大地減輕了設(shè)計(jì)師的負(fù)擔(dān)，縮減設(shè)計(jì)周期;也為設(shè)計(jì)師敲定方案提供了很多及時(shí)的支持;也能實(shí)現(xiàn)智能賦能，增加方案多樣性。

（二）智能設(shè)計(jì)方案的可行性分析

綜上所述，現(xiàn)有的智能化設(shè)計(jì)研究已經(jīng)涵蓋了設(shè)計(jì)的需求獲取、解決方案求解、方案表現(xiàn)等主要階段。但在該研究路徑下，方案產(chǎn)出后續(xù)環(huán)節(jié)的研究較少，數(shù)字化背景下的產(chǎn)品可行性分析領(lǐng)域并未像前期階段那樣吸引很多學(xué)者的目光。常規(guī)的產(chǎn)品可行性測(cè)試方法如用戶訪談、制作原型等無疑會(huì)拖累了整體的設(shè)計(jì)節(jié)奏。我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新生態(tài)正在向全產(chǎn)業(yè)鏈，全生命周期的設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)演進(jìn)，在此背景下智能設(shè)計(jì)研究目標(biāo)應(yīng)為全覆蓋設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)。因此需要有相應(yīng)的方法來完成產(chǎn)品可行性分析，補(bǔ)上這缺失的一環(huán)，完善智能設(shè)計(jì)研究的“最后一公里”問題。

其實(shí)很多現(xiàn)有研究值得借鑒，如李稼楨等人用TRIZ的系統(tǒng)沖突理論對(duì)公交車內(nèi)部消防裝置進(jìn)行了改良優(yōu)化;唐曉涵等人基于產(chǎn)品家族理論和產(chǎn)品組合理論，歸納總結(jié)出辦公家具企業(yè)構(gòu)筑產(chǎn)品家族的可行性基礎(chǔ)?？梢越梃b他們基于系統(tǒng)的研究方法，并改造成評(píng)價(jià)矩陣：針對(duì)不同產(chǎn)品類型構(gòu)筑特定的關(guān)系矩陣，涵蓋重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品置于其中獲得評(píng)價(jià)系數(shù)。

但這樣的評(píng)估或預(yù)測(cè)主要基于理論基礎(chǔ)，總歸與現(xiàn)實(shí)世界存在隔閡。因?yàn)樵趯?shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，工業(yè)設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的局限性，其中之一就是該產(chǎn)品構(gòu)造能否支撐功能運(yùn)行。理論上的可行性測(cè)試很難發(fā)現(xiàn)方案構(gòu)造與功能運(yùn)作之間隱藏的沖突。因此工業(yè)設(shè)計(jì)可行性不僅需要包括“功能合理性”，還需包括“功能運(yùn)行合理性”，即原先造型設(shè)計(jì)下的結(jié)構(gòu)、材料能否支撐預(yù)設(shè)功能正常運(yùn)作——這在算法產(chǎn)出的包含新材料、紋理、特殊結(jié)構(gòu)等元素的方案中尤應(yīng)注意。

二、有限元分析介紹

有限元分析，即“Finite Element Analysis”，是一種將力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的高效數(shù)學(xué)模擬方法。他的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后求解：他將復(fù)雜的求解對(duì)象劃分成有限個(gè)相互關(guān)聯(lián)的簡(jiǎn)單元素，用既定的函數(shù)來指代元素間關(guān)系，通過輸入初始作用條件，通過系列計(jì)算，得到整個(gè)問題的近似解，包括應(yīng)力情況、形變大小、流體運(yùn)動(dòng)，以及結(jié)構(gòu)、熱、流體等多物理場(chǎng)的耦合效應(yīng)等。其中不同的材料特性對(duì)應(yīng)不同的輸入?yún)?shù)與關(guān)聯(lián)屬性，不同的分析類型對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算函數(shù)。有限元分析方法應(yīng)用廣泛，應(yīng)用范圍涵蓋結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體、電磁等多個(gè)學(xué)科，機(jī)械、航天、石油工程等多個(gè)領(lǐng)域。如劉洪英等人用有限元分析法對(duì)航天某薄殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，進(jìn)而進(jìn)行減振器動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì);MisaelDalbosco等人為提高特定冷鍛工具的疲勞壽命，利用有限元分析進(jìn)行模擬，將最高主應(yīng)力從597MPa降低到170MPa。雖然只是理論上的近似解，但可以幫助工程師在脫離實(shí)物實(shí)境實(shí)驗(yàn)下，就可直觀映射特定條件下分析對(duì)象的位移、形變、應(yīng)力等情況，在一些極端領(lǐng)域如深海、航天裝備制造方面有著不可估量的作用。

作為一種使用成熟且應(yīng)用廣泛的仿真模擬方法，有限元分析可以巧妙地填補(bǔ)設(shè)計(jì)數(shù)字化方向中可行性分析的空缺。對(duì)于算法產(chǎn)出的優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)方案，可以賦予其理想的材質(zhì)結(jié)構(gòu)并模擬真實(shí)工況測(cè)試可行性，也可以比較不同方案之間的優(yōu)劣。有限元法可以將可行性分析完成于方案的參數(shù)化階段，極大提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也很好地適應(yīng)智能互聯(lián)時(shí)代下個(gè)性化、定制化的生產(chǎn)方式，促進(jìn)算法生成方案的順利落地！

三、準(zhǔn)備階段

本章節(jié)介紹本研究所用的有限元分析工具及分析對(duì)象。

（一）有限元分析軟件

有限元分析的通用軟件有很多，本研究選擇Abaqus6.14軟件對(duì)冰箱進(jìn)行有限元分析。Abaqus是業(yè)界通用有限元分析軟件之一，應(yīng)用范圍廣，能完成彈塑性分析、沖擊分析、耐久性分析等多種場(chǎng)景的分析任務(wù)。Abaqus將任務(wù)分析過程劃分成了一系列功能模塊，如圖1所示，模塊次序?qū)?yīng)操作順序。各模塊的功能介紹如下：

1）部件（Part）：該模塊的目的是產(chǎn)生單獨(dú)的部件模型?？梢酝ㄟ^Abaqus自帶工具創(chuàng)建，或者通過導(dǎo)入功能將已有三維部件導(dǎo)入Abaqus。

2）屬性（Property）：該模塊用來定義材質(zhì)屬性。根據(jù)要分析的任務(wù)類別，選擇力學(xué)、熱學(xué)、電磁等材料行為，調(diào)節(jié)相關(guān)屬性，并輸入完成該類分析所必要的參數(shù)，并通過創(chuàng)建、指派截面將這些屬性賦給上一步產(chǎn)生的部件模型。

3）裝配（Assembly）：因?yàn)椤安考蹦K下的模型都是單獨(dú)存在的，若想將他們?cè)谝黄鸱治?，就需要在此模塊下將他們裝配，就像之前是單獨(dú)的螺母和螺絲，需要在這一步將其組合。

4）分析步（Step）：分析步是對(duì)仿真過程的描述，可以理解成模擬過程的“關(guān)鍵幀”。對(duì)每一步設(shè)定熱傳遞、靜力等多種分析類型，并定義其先后順序。

5）相互作用（Interaction）：顧名思義，該模塊用來描述部件間的相互關(guān)系。該模塊下可以通過創(chuàng)建相互作用、創(chuàng)建約束等方式來定義相互作用屬性。

6）載荷（Load）：在該模塊定義部件工況條件，可以在此步驟定義邊界條件與載荷條件，即固定與受力情況。

7）網(wǎng)格（Mesh）：正如對(duì)有限元原理介紹的那樣，該模塊負(fù)責(zé)對(duì)部件進(jìn)行層次上的網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格形狀控制。將部件分成細(xì)微元素。網(wǎng)格劃分可以根據(jù)軟件默認(rèn)，也可以自主調(diào)節(jié)。網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此是很關(guān)鍵的步驟。

8）優(yōu)化（Optimization）：在該模塊下，可以根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)和限制條件進(jìn)行優(yōu)化分析。

9）作業(yè)（Job）：將前面所有操作整合在一起，以作業(yè)的形式提交到作業(yè)管理器，軟件會(huì)綜合前置的所有條件并進(jìn)行最終的有限元分析。

10）可視化（Visulization）：有限元分析結(jié)果的展示，包括部件變形前后狀態(tài)圖，以及云圖展示。作業(yè)分析完成后選擇“結(jié)果”按鈕即可出現(xiàn)。

Abaqus軟件操作界面總體較為直觀、簡(jiǎn)潔，模塊劃分也比較清晰，實(shí)際操作中根據(jù)自己項(xiàng)目情況，調(diào)整關(guān)鍵的步驟即可完成分析任務(wù)，上手較為容易，適合跨專業(yè)者進(jìn)行嘗試學(xué)習(xí)。

（二）分析對(duì)象介紹

分析目標(biāo)如圖2所示。該產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中①部分是制冷機(jī);②部分是四層環(huán)繞于中心柱的儲(chǔ)物箱;③部分是中心柱體用于傳導(dǎo)溫度以及固定各層儲(chǔ)物板。

該方案摒棄了傳統(tǒng)的箱柜落地式結(jié)構(gòu)，采用梭形外觀與壁掛式固定方式，更加節(jié)省空間，強(qiáng)調(diào)了空間的適應(yīng)性和功能的整合。同時(shí)借鑒了Jingyu Cao等人家用冰箱冷損回收的設(shè)計(jì)思路，增加了壓縮機(jī)余熱利用的新功能。該方案的“功能合理性”已具備，下文將使用有限元分析對(duì)其“功能運(yùn)行合理性”進(jìn)行驗(yàn)證。

四、實(shí)驗(yàn)操作

本章內(nèi)容將對(duì)該冰箱方案進(jìn)行有限元分析實(shí)際操作，以驗(yàn)證有限元分析方法對(duì)于生成方案可行性測(cè)試的作用。

（一）靜力學(xué)分析

因?yàn)楸涫褂眠^程中主要是靜止?fàn)顟B(tài)，載物板一直承受食物的重力，外載荷沒有明顯的時(shí)間效應(yīng)，因此選擇靜力學(xué)分析。靜力學(xué)按照矩陣的形式可表示為微分方程：

[K] {x}+{F}=0

其中[K] 代表剛度矩陣，由材料性質(zhì)決定;{x}代表位移矢量，表示形變情況;{F}代表靜載荷函數(shù)，表示受力情況。

1.產(chǎn)品工況介紹：該產(chǎn)品工作狀態(tài)主要受力情況如圖4所示。產(chǎn)品為壁掛式，由固定結(jié)構(gòu)固定在墻上。如A所示，a部件約束，b為產(chǎn)品外殼;主要載物受力結(jié)構(gòu)如B所示，其中c柱約束，d面載物;冰箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外殼的支撐情況如C所示，e為外殼，由于a的約束已經(jīng)固定，通過f來支撐內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本研究主要分析工作狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)載物板和外殼的受力情況，以及內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的熱量傳導(dǎo)情況。

2.旋轉(zhuǎn)載物板受力分析：載物板是冰箱的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，多層載物板固定于中心柱上，上面依次排布四個(gè)儲(chǔ)物箱。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)類似，在這里只用一層載物板做分析。

根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)想，材質(zhì)選為304不銹鋼。該材質(zhì)具有加工性能好，韌性高的特點(diǎn)，在食品醫(yī)療行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。該材料密度為7.85g/cm，楊氏模量為205000KPa，泊松比為0.3。將中心柱的邊界條件設(shè)為完全固定，因?yàn)橐M極限工況，在板面上四個(gè)放儲(chǔ)物柜的位置都分別施加最高載荷50N。

完成劃分網(wǎng)格等必要過程后得到分析結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示該部件使用時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在載物板與柱的連接處附近，最大應(yīng)力為4.328MPa。板上的突起初始設(shè)計(jì)目的是分隔儲(chǔ)物箱與加固板面，如此看來起到了相應(yīng)作用，但為了提高部件耐久度，后續(xù)可以對(duì)該部位進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。最大形變是板的邊緣，形變量為0.0285mm。

3.外殼受力分析：該產(chǎn)品是壁掛式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由外殼在底部支撐，因此有必要對(duì)外殼進(jìn)行受力分析。材料屬性同上。將部件固定結(jié)構(gòu)的邊界條件設(shè)為完全固定，在受力部位施加豎直向下800N的力（如箭頭所示）。由分析結(jié)果可知，載荷800N的情況下外殼最大應(yīng)力大概為42MPa。部件最大形變?cè)诘撞窟吘?，形變量?.8834mm。

（二）熱傳導(dǎo)分析

熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體不同部分之間由于溫度梯度而因此的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：

其中q是熱流密度，K是導(dǎo)熱系數(shù)，“-”代表熱量流向溫度降低的方向。本研究的熱傳導(dǎo)分析意圖求解部件的熱傳導(dǎo)過程，因此選擇瞬態(tài)傳熱。瞬態(tài)傳熱是指一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)溫度、邊界條件等因素會(huì)隨時(shí)間變化的加熱或冷卻過程，根據(jù)能量守恒原理，可以表示為：

冰箱內(nèi)部溫度傳播分為熱傳導(dǎo)和冷傳導(dǎo)，分別對(duì)應(yīng)解凍和制冷兩大功能。在產(chǎn)品中這兩大溫度模塊間也會(huì)有隔溫裝置分隔，因此為清楚顯示溫度傳導(dǎo)過程，下文對(duì)二者分別做單獨(dú)分析。

1.部件熱傳導(dǎo)分析：冰箱上部是發(fā)熱模組，將冰箱壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的余熱集中于此排放，將這些廢熱用于食物解凍或保溫。材料還是選擇304不銹鋼，除去之前添加的密度、楊氏模量和泊松比外，添加傳導(dǎo)率16.5，比熱容為500J/（kg·℃）。根據(jù)壓縮機(jī)預(yù)設(shè)散熱位置，在部件底部設(shè)置熱源。因?yàn)楸渖崾潜洹案弊饔谩?，冰箱廠家也對(duì)此語(yǔ)焉不詳，鮮有資料顯示散熱溫度幾何。再者室內(nèi)溫度、壓縮機(jī)型號(hào)、構(gòu)造也會(huì)對(duì)散熱溫度產(chǎn)生影響。根據(jù)訪談，家用冰箱散熱外壁溫度一般在55℃左右。結(jié)合本產(chǎn)品小型化的特點(diǎn)，這里將散熱溫度設(shè)置為40℃。提交作業(yè)，得到隨時(shí)間推移的部件溫度變化情況如圖7所示。其中前三幅圖時(shí)間間隔為100s，最后一幅間隔是300s。

2.部件冷傳導(dǎo)分析：發(fā)熱模組以下是制冷模組，制冷機(jī)在上方產(chǎn)生冷氣，冷氣密度大自動(dòng)下沉，加快吸收熱量。為簡(jiǎn)化分析對(duì)象，此處只考慮固體間的熱量傳播。冷傳導(dǎo)分析加入儲(chǔ)物箱，材質(zhì)選為PS塑料。PS塑料（聚苯乙烯，Polystyrene）是一種應(yīng)用廣泛的食品級(jí)塑料制品，其生產(chǎn)工藝也比較完善。其傳導(dǎo)率為1，密度為1.1g/cm3，比熱容為14700 J/（kg·℃），其余部分如中心柱和載物板材料屬性同上。部件上方部分是模擬壓縮機(jī)所在位置，因此將其上端面邊界條件設(shè)為溫度類型，溫度為-10℃。提交作業(yè)，將所得結(jié)果排列，得到隨時(shí)間推移的部件溫度變化情況如圖8所示，時(shí)間間隔同上。

（三）分析結(jié)果

以冰箱的三維模型為基礎(chǔ)，通過對(duì)冰箱主要結(jié)構(gòu)的受力與熱傳導(dǎo)仿真模擬，證實(shí)該方案結(jié)構(gòu)強(qiáng)度合格，結(jié)構(gòu)合理，能滿足預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。兩個(gè)受力模擬分析中，最大應(yīng)力分別4.3MPa和42MPa，遠(yuǎn)低于304不銹鋼材質(zhì)的屈服強(qiáng)度205MPa，因此在額定受力范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生形變。這也為產(chǎn)品改造做出有效指導(dǎo)，可以適當(dāng)削減用料或增大儲(chǔ)物上限。熱傳導(dǎo)分析也證實(shí)，在產(chǎn)品正常運(yùn)行后最多6分鐘，溫度條件即可就緒。

結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)智能設(shè)計(jì)研究做了簡(jiǎn)單介紹，論述了數(shù)字化研究路徑下，產(chǎn)出方案可行性分析研究的不足。隨后簡(jiǎn)述了有限元分析方法的原理及特點(diǎn)，點(diǎn)出雙方結(jié)合的可行性。接著以一款冰箱產(chǎn)品為例，針對(duì)其獨(dú)特的使用方式與余熱利用的創(chuàng)新功能，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析與熱傳導(dǎo)分析。分析結(jié)果證明該方案能滿足使用需求。結(jié)果證實(shí)：有限元分析可以充當(dāng)智能設(shè)計(jì)研究中的方案可行性分析工具，幫助縮短研發(fā)周期并提高新產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性，進(jìn)而幫助完善智能設(shè)計(jì)研究。

本研究也有不足。雖然Abaqus的確是很成熟的分析軟件，但是學(xué)習(xí)成本較高，且是基于規(guī)則的，智能化程度不高。展望未來，期待隨著智能設(shè)計(jì)與技術(shù)的深層次融合，有更加智能化、簡(jiǎn)便化的分析工具出現(xiàn)。