多物理场建模加速电动剃须刀技术创新(pdf版).doc

多物理场建模加速电动剃须刀技术创新在电动剃须刀的发展历史中，刀罩的设计和制造一直需要很高的技术水平，其中涉及到多学科的交叉以及新工艺新技术的应用。日前，全球各大著名的电动剃须刀生产厂商纷纷采用新材料来制造刀罩。其中飞利浦公司特别使用了COMSOL Multiphysics来优化其将要面向市场的新一代电动剃须刀刀罩的制造过程。据荷兰皇家飞利浦公司电动剃须刀部高级研究专员IR. REDMER VAN TIJUM博士介绍，COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。COMSOL Multiphysics提供针对不同领域专门设计的应用模块，包括：声学、化学工程、地球科学、高频电磁、低频电磁、传热、微系统和结构力学等。刀罩制造过程的第一步是采用相变诱发塑性钢。此时得到的刀罩的厚度太大，形状也不够精确，所以需要进一步的加工。对于低档电动剃须刀，飞利浦公司一般采用电火花加工法来制造其刀罩。但是这种方法不仅成本偏高，而且还需要均匀的电极分布，因此不能用这种方法制造复杂形状的刀罩。高档电动剃须刀有三个刀片，与之对应的刀罩也要求更精密的形状，其制造过程也更加复杂。飞利浦公司一般采用电化学加工来制造具有复杂形状的刀罩（图1）。为了使刀片和刀罩契合的更加紧密，工程师需要对刀罩的制造过程有更加透彻的了解。和做试验相比，应用COMSOL Multiphysics多物理场功能对于整个制造环境进行数值模拟能够节约大量的成本，而它的优化设计功能还能为工程师提供其他重要的信息。图1: 飞利浦公司推出的新一代电动剃须刀，三刀片系统需要形状十分精确的刀罩。电化学加工包括三部分，分别是一个可控电化学分解的阳极（刀罩），一个预成型的阴极（模具），以及两者之间的流体流动。刀罩表面金属经过电化学反应分解成金属离子。因此，当确定好模具和电压后，在电化学反应作用下，刀罩的外形尺寸就可以变得十分精确。在刀罩和模具之间的电解质流体中不仅含有金属离子，还含有刀罩表面电化学反应副作用产生的气体。气体的出现会增加刀罩表面电解质的库伦力，这种库伦力随着刀罩表面形状的改变而变化，必须通过调整电压的来即时地补偿这种库伦力。此外，描述电解液中的电化学运动必须考虑物质守恒定律和材料的基本属性，例如流体中的密度等。在电化学加工过程中，在很薄的材料上产生了高速的物质交换，而且电解液的通道也非常狭窄。由于反应热和电阻热的作用，温度会非常高，在电解液成分不适当时甚至能达到沸点。刀罩结构在随时间不断成型的同时还受到电解液的高压作用，导致刀罩结构完整性发生巨大变化，有可能出现弹性后效现象。环境温度过高还可能使流体密度发生变化。因此，飞利浦公司所要研究的电化学加工过程是一个非常复杂的多物理场问题（图2）。 图2: 飞利浦公司在模拟电化学加工（ECM）这个多物理场问题时必须考察的物理耦合变量多物理场耦合分析使加工过程不仅能对实验方法进行指导，还可以使工程师更深入的理解加工手段的更本质的物理内涵。飞利浦公司采用COMSOL Multiphysics对加工过程进行了数值模拟，COMSOL Multiphysics可以同时处理所有相关的物理场，在数值模拟过程中，可以保证研究者对加工过程有一个清楚的了解和认识。首先考察电气过程。COMSOL Multiphysics拥有一个专门模块处理这种问题，工程师可以在这些模块中随意添加电化学应用模式，模拟刀罩和电解液交界面处的反应。COMSOLMultiphysics的高度开放性，使工程师可以定义随气泡出现位置和热量的变化而变化的电导率。此外，直接耦合流体力学模块（非等温流体）和传热模块（对流和传导）。在这个加工过程中，传热方程中的热源项取决于电流。为了模拟温度和气体压力的作用，在流体力学模块的密度项里还需要添加一个随温度而变化的密度描述方程。在模拟加工过程时最重要的是考察刀罩的成型过程。工程师首先在COMSOL Multiphysics中建立刀罩的初始形状，在模拟过程中使用了一个特殊的ALE模式（移动网格）根据计算结果可以方便的不断更新刀罩的形状，并且与模拟相变诱发塑性钢分解的电化学反应的模块相互耦合。这种模拟方法对于描述电解液通道和其中的流体是十分恰当的。通过如图3所示的模型，飞利浦公司应用COMSOL Multiphysics很好的模拟了新一代电动剃须刀刀罩的加工过程，从而使刀罩和刀片之间契合的更加紧密。在进一步的研究中，COMSOL Multiphysics必将成为飞利浦公司改良生产工艺过程、设计新产品的有力工具。图3: 结果数据来自于电动剃须机刀罩和模具之间的电解液通道的二维切面图。电解液从右侧流入，从左侧流出。图中显示了气体