浅谈洗碗机喷淋结构的优化设计
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【摘 要】本文对洗碗机喷淋结构流场的残差曲线图、压力分布、速度云图等的分析，得出该洗碗机喷淋结构的设计缺陷，针对结构缺陷提出了优化的方案，对改进后的结构进行了验证，得出了结构优化的结论。
【关键词】洗碗机；喷淋结构；优化设计
1.结构优化设计
优化设计首先要解决的关键性问题是如何将工程的实际问题转化为数学模型。解决这个问题必须要考虑哪些是设计变量，这些设计变量是否受到约束，这个问题所追求的结果又是什么，即在优化设计过程要确定目标函数或者设计目标。设计变量、约束条件和目标函数是优化设计的三个基本要素。
1.1设计变量
设计变量是在设计过程中选择的需要调整的独立参数，固定不变的要事先给定的参数称为设计常量。设计变量的数目称为优化问题的维数，设计空间的维数同时也表征了设计的自由度，设计变量愈多，则设计的自由度愈大、可供选择的方案愈多，设计愈灵活，但难度也愈大，求解也愈复杂。设计变量有连续变量和离散变量之分，大多数产品设计中的设计变量是连续变量，但也有一些产品设计中的设计变量是离散型设计变量，如齿轮的模数、轴承的内径、弹簧的螺距等。对于离散型设计变量，目前通行的做法是在优化过程中，先将这些离散型设计变量当做连续变量来处理，待优化过程结束后，再在所取得的最优点附近.通过与其邻近离散点的目标值进行比较，来确定最优离散点。
1.2目标函数
目标函数又称为评价函数，是评价设计方案优劣的标准和反映设计者追求产品最优指标的设计意图，目标函数表征的是设计的某项或者某些最重要的特征，如产品的重量、体积、刚度、变形、承载力、功耗、产量、成本、运动误差、动态特性或其他指标等。优化设计就是要通过优选设计变量使目标函数达到优值。
目标函数与设计变量值之间具有一定的函数关系，虽然这种关系并非一一对应，但是一组已知的设计变量在设计空间还是唯一地确定了目标函数的值和设计点。依据设计特征的数量，目标函数可分为单目标函数和多目标函数两类。由于单目标函数所反映デ仅是产品设计中中多指标的某一项，片面性和局限性很大，故在优化设计中，多目标函数的优化设计问题比较普遍。目标函数愈多，考虑到的设计指标就愈多，设计的综合效果愈好，但是求解也更复杂。
1.3约束条件
目标函数值取决于设计变量的变化，但这种变化并不是任意的自由变化，绝大部分实际问题的设计或多或少总要满足一定的条件，而这些条件构成了对设计变量取值的限制，称为约束条件或约束函数。根据对设计变量取值的限制形式，约束条件可分为直接限制的显约束和间接限制的隐约束。结构优化提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化，这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。拓扑、形貌和自由尺寸优化基于概念设计的思想，作为结果的设计参数还可以反馈给设计人员并作出适当的修改和调整，经过设计人员修改过的设计方案可以再经过更为细致的形状、尺寸以及自由形状优化，从而得到更好的方案。
2.洗碗机喷淋结构的优化设计
2.1洗碗机喷淋结构设计的缺陷
应用流体动力学软件Fluent 对洗碗机的清洗系统（图1）的结构进行仿真分析，得出图2 所示的水流速度矢量图。
从速度矢量图中可以看出单管中出口的增加让水流充满了管道，水流速度最大的地方在最接近水流的出口部分。由于水流是从右边流过来，明显的发现水流集中偏向了左边。这样势必导致有一部分碗盘无法被清洗干净，这也就是这种商用洗碗机洗净度不高的主要原因。
2.2洗碗机喷淋结构优化设计思路
对于喷淋式洗碗技术，洗碗机是通过电机驱动水泵，使洗涤水在一定压力下从喷臂喷出，喷射水流对碗碟表面起机械冲击作用，洗碗机专用洗涤剂对碗碟表面油污起化学去污作用，加上热水起浸泡软化作用，三种物理化学作用共同使碗碟表面油污和残渍分解和脱落，从而达到洗净餐具目的。由此可知，洗净能力与出水口水流角度、冲洗时间、能量水量有直接关系。
对于该商用洗碗机的清漂洗系统优化设计的主要思路即为在满足低能耗，安全的前提下，通过改变喷水系统的结构，管道大小，出口大小，出口角度等参数，使得商用洗碗机洗净度更高，更加高效，卫生，方便。
2.3洗碗机喷淋结构优化设计过程
针对以上情况，优化设计该清洗管道的开口角度，通过改变清洗管道开口的角度来解决出水偏移的问题。在单管上面的六个出口倾斜角度分别设计为0510152025 度（图3）。从仿真分析的结果来看（图4），已经把水流集中偏移的现象给以了修正，但是开口角度有些偏大，使得靠右的水柱出现右偏的现象，因此又考虑将出口角度做适当的调整。
根据上述分析的结果，对上述结构的出口角度重新进行修正，出口角度修正为01012.51517.520 度（如图5）。根据速度矢量图（图6）可知，效果显著，正符合我们所需要的水流垂直喷射的要求。
上面的对比显示，清洗结构未优化之前，水流喷射集中左偏，这不利于清洗，导致有的地方清洗不到位，而优化结构一在纠正了左偏的基础上纠正过大，导致部分喷口喷射出来的水偏右，仍然没有达到我们预期的目标。在此基础上进一步优化出口角度，得到了最合理的结构，此结构水流垂直均匀的喷出，喷淋效果最好。
3.结论
对于商用洗碗机而言，由于结构优化设计所涉及的参数太多，比如角度，开口大小，喷口数量，上下喷淋管之间的距离等，我们所做的实验仅仅是通过改变出口角度这一参数获取的优化结果，而没有考虑其它的因素。在这个过程中得到如下结论：
（1）优化设计是在仿真分析的基础上进行的，仿真的结果为结构优化提供依据。优化的效果可以通过仿真来验证。
（2）结构优化设计所涉及的参数比较多，有时不能仅仅通过优化某一个参数来进行，而是需要全面考量之后，优化设计才能达到预期的目标。
（3）运用仿真软件来仿真和分析结构优化的效果，可以高效地完成优化设计。
运用优化设计的理论，对于洗碗机的清洗管道进行了结构的优化设计，通过优化实现了水流的垂直喷淋，对于该洗碗机清漂洗系统的结构优化设计提出了初步的方案。目前完全利用计算机仿真分析就可以得出洗碗机设计上存在的缺陷并通过结构优化的方法进行了优化设计和仿真验证，这对洗碗机的完善具有十分重要的意义。 [科]
【参考文献】
[1]郝利兵，张明刚.商用自动洗碗机的结构分析和控制设计[J].机电产品的开发与创新，2006.
[2]屏文.家务劳动的得力助手―洗碗机[J].家用电器，2007，（2）.