基于有限元的滚筒洗衣机零部件改进设计

基于有限元的滚筒洗衣机零部件改进设计

衣震旭

珠海格力电器股份有限公司  广东省珠海市  519070

摘要：将试验模态和有限元模型的模态相结合，对自动滚筒洗衣机零部件进行了动力学分析。首先，利用 Eingeer软件对机身进行了3D立体建模。在此基础上，将其输入到 ANSYS软件中，对其进行了网格分析，并建立了其有限元模型。将理论模型和试验模型进行了对比，得到了很好的结果。在此基础上，通过对其零部件的固有性能进行了分析，为进一步改进滚筒式洗衣机的零部件振动性能奠定了基础。

关键词：滚筒洗衣机零部件；机箱；模态试验；模态分析；有限元；

引言： 当前，模态分析主要采用试验与有限元数值模拟的手段，通常通过试验模态分析的结果来修改有限元模型，从而获得更准确地包含结构参数的有限元模型。本论文采用有限元理论和试验模态相结合的方法，对滚筒式洗衣机零部件进行了全面的模态分析，并根据试验结果，对此种洗衣机机箱的振动模式特征进行了研究，为其结构的改善提供了一定的参考。

1洗衣机机箱的有限元模态分析

本论文将有限元方法应用于理论模态分析，其基本思路为：先在 Pro/Engineer中构建全自动滚筒洗衣机零件机箱的三维实体模型，然后将其输入到有限元软件 ANSYS中，对其进行单元划分、边界条件设定，最后进行模态计算。

1.1有限元模型的建立

在此基础上，利用 Pro/E软件对滚筒式洗衣机零件进行了三维建模。因为洗衣机的机箱是一种箱式的构件，它的构造中存在着许多的加强筋、凸台和孔洞等，所以在进行机身的3D建模时，既不可能，也不需要将每一个细节都考虑进去。为此，在建立模型时，对其作了适当的简化，省略了进、排水管道孔和螺栓孔，并将其输入到 ANSYS中进行了数值模拟。

由于在实际工作中，箱体各表面多为弯扭变形，所以使用结点Shell63板－壳单元能较好地模拟箱体各表面的受力与变形情况。因为在洗衣机机箱的实体模型中，含有大量的圆形孔洞和直角形，所以要在运算速度与运算精度之间取得平衡，需要对网格的数目与单元的形状加以控制：在 Meshtool中，使用 sizecontrol命令，来确定机箱的各个不同表面上的单元数目；在 Mesh areas中，采用了自由网格划分，因为自由网格对于单元形状没有限制，而且不需要有特定规则的面或线，这样可以有效地减少了单元数目，最终得到机箱的单元总数为44757个。

1.2模态提取方法

在大规模 CAE通用有限元软件 ANSYS中，可以提供7种模态分析的方法，分别是： Subspacef法、 Block lanczos法、 Power Dynamics法、 Reduce法、 Unsymmertic法、 Damp法、 QR Damp法。

为了解决这类问题，我们将使用 Blocklanczos算法，该算法也是一个默认的算法。BlockLanczos法采用的是 Lanczos算法，它利用稀疏矩阵来求解通用特征值，也就是利用一组向量来实现 Lanczos递推。此外，因为结构的振动能够被表示成各阶固有振模的线性组合，而低阶的振模对结构的动力的影响要大于高阶振模，所以在对洗衣机机箱的有限元模态分析中，采用了 Block lanczos法。

2洗衣机机箱的试验模态分析

模态测试是一种重要的动力性能测试手段，不仅能获得较为精确的模态参数，还能将实验数据与有限元计算数据进行比较，进一步检验所建模型的正确性，并对其进行相应的修正。

2.1实验方法及测试系统组成

在对水洗零部件进行模态分析时，采用胶带悬空的方式，将零部件悬空，并将其整体置于“松开”的状态，使得被测系统的振动频率比一阶自振频率低。

为测定其传输特性，必须人工地对其施加压力，利用多点连续激振和单一点固定的振动点的方式，对其进行了模态试验。由力敏器件将真实激振的讯号转变成电子信号，由压敏器件将反应讯号转变成电子信号。采用频谱分析、3D频谱阵列等方法，获取振动、振动等多个测量点的传递函数，采用集总平均的方法，确定系统的低阶模态参数，建立相应的低阶模态模型。

该模型试验系统由激振系统、信号采集系统和处理系统三个部分构成，其中，激振系统主要有信号源、电源和激振装置。

本文采用SD380进行了模型测试，并对测试结果进行了分析和处理；利用 HP微机和专用的模态分析软件，对模型进行了模态参数的辨识。在测量之前，对所用的传感器和获取的信息进行了校准，以确保测量的准确性。

2.2测点布置与激振方案

根据洗涤机外壳的外部构造和测试条件，在外壳外部设置了147个测试点。使劲锤在每个测量点上按顺序对机身进行垂直激发，并在机身侧面的63点拾振。通过对各激振点振动5下，对5下振动信号进行线性平均值，以改善信号噪声。

首先，利用 DASP软件对测量结果进行分析，得出测量值的分布曲线；然后用 MAS模型对模型进行了拟合，求出了系统的前15个阶次的自振频率。

2.3测点传递函数的拟合

传递函数为等频率区间上的一种离散形式，通过对不同频率区间上的各模态参数（如固有频率，阻尼比，模态振型等）进行准确的数值求解，就可以得到该模型的一条曲线。

3结果比较与分析

(1）计算结果和实验结果表明，每一种模式的发生次序都与自然频率相一致。说明所用的机箱模型的质量，惯性矩，刚性的分布都与真实情况相符合，这就表明所建立的机箱模型是可信的。

(2)）根据实验得到的振动模型，计算得到的振动模型自振频率与实验得到的振动模型自振频率存在一定差异。结果表明，所得到的系统刚度、质量及惯性矩的分布，与真实情况存在着较大的偏差。

(3)）在阶次方面，计算模式和实验模式在阶次上并非一一对应，而是在各个阶次相应的振动模式中，存在着若干局域模式。这有三个原因。一是有限元法中的节点和单元数目远大于实验所需的点数，且自由度较大；二是由于模型的部分刚度较大或较小，导致部分振动模式在实验中不会出现，有些振动模式则会被忽略；三是建立在理想假定基础上的有限元建模，假定机身材质是均一的，但在真实情况下，机身各表面的厚度并不是均一的。

(4）因为没有足够的横向刚性，所以在机箱的两侧会产生弯曲和扭曲的振荡，如果在这个二次振荡的频率下，机箱很可能会引起两侧的疲劳破坏。另外，本文还发现，在各个阶次上，由于壳体和盖板的连接方式，壳体和盖板在各个阶次上都存在着明显的局域振动。

4结论与改进措施

采用 Pro/E软件对机身进行了实体建模，并采用 Ansys有限元分析软件对全自动滚筒式洗衣机部件零部件进行了模态分析，得到了机身的自然频率和振动模式。通过模态实验，证明了所建立的模型是正确的，计算结果是可信的，对洗衣机机身的设计与改造具有一定的指导意义.

改进建议：

(1）在机箱和后部之间，采用橡胶密封件，将二者进行弹性连接，减少机箱向后部传给后部的激振作用力。

(2）大部分的洗衣机零部件振动模态都来自零部件的厚度，也就是说，零部件厚度对洗衣机的动力性能有很大的影响，当零部件厚度增大时，会使零部件的刚性增大，零部件的自振频率也随之增大，但零部件的重量也随之增大。所以，传统的机身设计主要是对机身进行结构优化，以增加机身曲面的抗弯刚性。比如，通过对机身两侧肋条的调整，能够在保证机身重量的同时，有效地改善机身的刚性。

(3）在洗衣机外壳的内部和外部增加加劲肋，可使洗衣机外壳的刚性增加，使其自振频率增加。如在壳体两侧中部应力集中部位，按照动力性能的需要，增加加劲肋，则不失为降低噪声的一种有效途径。

结语

本文采用静态力学方法，对其进行了静态力学分析，并对其进行了数值计算，得出了其在转动中任意时间点上的受力与变形状态，为其进一步改造提供了依据。在预紧状态下，对鼓轮进行了振动模态及临界旋转速度的计算，结果与实际较为吻合，这对鼓轮的旋转速度及鼓轮组件的悬挂结构的设计具有重要意义。

参考文献

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