多物理場建模加速電動(dòng)剃須刀技術(shù)創(chuàng)新

1、多物理場建模加速電動(dòng)剃須刀技術(shù)創(chuàng)新在電動(dòng)剃須刀的發(fā)展歷史中，刀罩的設(shè)計(jì)和制造一直需要很高的技術(shù)水平，其中涉及到多學(xué)科的交叉以及新工藝新技術(shù)的應(yīng)用。日前，全球各大著名的電動(dòng)剃須刀生產(chǎn)廠商紛紛采用新材料來制造刀罩。其中飛利浦公司特別使用了COMSOL Multiphysics來優(yōu)化其將要面向市場的新一代電動(dòng)剃須刀刀罩的制造過程。據(jù)荷蘭皇家飛利浦公司電動(dòng)剃須刀部高級研究專員IR. REDMER VAN TIJUM博士介紹，COMSOL Multiphysics是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”。CO

2、MSOL Multiphysics提供針對不同領(lǐng)域?qū)ｉT設(shè)計(jì)的應(yīng)用模塊，包括：聲學(xué)、化學(xué)工程、地球科學(xué)、高頻電磁、低頻電磁、傳熱、微系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等。刀罩制造過程的第一步是采用相變誘發(fā)塑性鋼。此時(shí)得到的刀罩的厚度太大，形狀也不夠精確，所以需要進(jìn)一步的加工。對于低檔電動(dòng)剃須刀，飛利浦公司一般采用電火花加工法來制造其刀罩。但是這種方法不僅成本偏高，而且還需要均勻的電極分布，因此不能用這種方法制造復(fù)雜形狀的刀罩。高檔電動(dòng)剃須刀有三個(gè)刀片，與之對應(yīng)的刀罩也要求更精密的形狀，其制造過程也更加復(fù)雜。飛利浦公司一般采用電化學(xué)加工來制造具有復(fù)雜形狀的刀罩（圖1）。為了使刀片和刀罩契合的更加緊密，工程師需要對刀罩

3、的制造過程有更加透徹的了解。和做試驗(yàn)相比，應(yīng)用COMSOL Multiphysics多物理場功能對于整個(gè)制造環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬能夠節(jié)約大量的成本，而它的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能還能為工程師提供其他重要的信息。圖1: 飛利浦公司推出的新一代電動(dòng)剃須刀，三刀片系統(tǒng)需要形狀十分精確的刀罩。電化學(xué)加工包括三部分，分別是一個(gè)可控電化學(xué)分解的陽極（刀罩），一個(gè)預(yù)成型的陰極（模具），以及兩者之間的流體流動(dòng)。刀罩表面金屬經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)分解成金屬離子。因此，當(dāng)確定好模具和電壓后，在電化學(xué)反應(yīng)作用下，刀罩的外形尺寸就可以變得十分精確。在刀罩和模具之間的電解質(zhì)流體中不僅含有金屬離子，還含有刀罩表面電化學(xué)反應(yīng)副作用產(chǎn)生的氣體。氣體

4、的出現(xiàn)會(huì)增加刀罩表面電解質(zhì)的庫倫力，這種庫倫力隨著刀罩表面形狀的改變而變化，必須通過調(diào)整電壓的來即時(shí)地補(bǔ)償這種庫倫力。此外，描述電解液中的電化學(xué)運(yùn)動(dòng)必須考慮物質(zhì)守恒定律和材料的基本屬性，例如流體中的密度等。在電化學(xué)加工過程中，在很薄的材料上產(chǎn)生了高速的物質(zhì)交換，而且電解液的通道也非常狹窄。由于反應(yīng)熱和電阻熱的作用，溫度會(huì)非常高，在電解液成分不適當(dāng)時(shí)甚至能達(dá)到沸點(diǎn)。刀罩結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間不斷成型的同時(shí)還受到電解液的高壓作用，導(dǎo)致刀罩結(jié)構(gòu)完整性發(fā)生巨大變化，有可能出現(xiàn)彈性后效現(xiàn)象。環(huán)境溫度過高還可能使流體密度發(fā)生變化。因此，飛利浦公司所要研究的電化學(xué)加工過程是一個(gè)非常復(fù)雜的多物理場問題（圖2）。 圖2:

5、 飛利浦公司在模擬電化學(xué)加工（ECM）這個(gè)多物理場問題時(shí)必須考察的物理耦合變量多物理場耦合分析使加工過程不僅能對實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行指導(dǎo)，還可以使工程師更深入的理解加工手段的更本質(zhì)的物理內(nèi)涵。飛利浦公司采用COMSOL Multiphysics對加工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，COMSOL Multiphysics可以同時(shí)處理所有相關(guān)的物理場，在數(shù)值模擬過程中，可以保證研究者對加工過程有一個(gè)清楚的了解和認(rèn)識。首先考察電氣過程。COMSOL Multiphysics擁有一個(gè)專門模塊處理這種問題，工程師可以在這些模塊中隨意添加電化學(xué)應(yīng)用模式，模擬刀罩和電解液交界面處的反應(yīng)。COMSOLMultiphysics的高

6、度開放性，使工程師可以定義隨氣泡出現(xiàn)位置和熱量的變化而變化的電導(dǎo)率。此外，直接耦合流體力學(xué)模塊（非等溫流體）和傳熱模塊（對流和傳導(dǎo)）。在這個(gè)加工過程中，傳熱方程中的熱源項(xiàng)取決于電流。為了模擬溫度和氣體壓力的作用，在流體力學(xué)模塊的密度項(xiàng)里還需要添加一個(gè)隨溫度而變化的密度描述方程。在模擬加工過程時(shí)最重要的是考察刀罩的成型過程。工程師首先在COMSOL Multiphysics中建立刀罩的初始形狀，在模擬過程中使用了一個(gè)特殊的ALE模式（移動(dòng)網(wǎng)格）根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以方便的不斷更新刀罩的形狀，并且與模擬相變誘發(fā)塑性鋼分解的電化學(xué)反應(yīng)的模塊相互耦合。這種模擬方法對于描述電解液通道和其中的流體是十分恰當(dāng)?shù)摹Ｍㄟ^如圖3所示的模型，飛利浦公司應(yīng)用COMSOL Multiphysics很好的模擬了新一代電動(dòng)剃須刀刀罩的加工過程，從而使刀罩和刀片之間契合的更加緊密。在進(jìn)一步的研究中，COMSOL Multiphysics必將成為飛利浦公司改良生產(chǎn)工藝過程、設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的有力工具。圖3: 結(jié)果數(shù)據(jù)來自于電動(dòng)剃須機(jī)刀罩和模具之間的電解液通道的二維切面圖。電解液從右側(cè)流入，從左側(cè)流出。圖中顯示了氣體分布（彩色）和流場分布（箭頭）。從圖中可以很容易的看出流體對氣體分布的影響以及氣體侵入