基于ANSYS的洗衣机机箱模态及谐响应分析

2015-01-01张卫芬李永梅迟英姿

机械工程与自动化 2015年5期

张卫芬，李永梅，迟英姿

（东南大学成贤学院机械工程系，江苏南京 210088）

0 引言

随着人们物质生活水平的提高，滚筒式洗衣机走进了千家万户，但其在高速脱水时产生的振动和噪声是不容忽视的现象。滚筒洗衣机机箱在承载洗衣机主要载荷的同时，对洗衣机的振动特性具有较大的影响，本文利用ANSYS软件对洗衣机机箱进行有限元模态分析和谐响应分析，为洗衣机的相关设计提供依据。

1 洗衣机机箱的有限元模态分析［1－2］

1.1 洗衣机机箱的有限元模型

有限元模型的划分网格对计算有很大的影响，因此，在建立机箱的三维实体模型时，忽略机箱上较小的凸台、半径5mm以下的孔、一些过渡圆角或倒角，而对力学性能影响较大的凹槽、加强筋等则一定要保留［3］。简化后的洗衣机机箱有限元模型如图1所示。

图1 洗衣机机箱有限元模型

利用ANSYS软件对机箱进行有限元模态分析时，所选择的有限元单元应能最大程度地模拟实际的结构，以得到满足实际精度要求的结果。洗衣机机箱属于薄板型结构，因此，可以用板壳单元来建立其有限元模型。本文采用Shell63类型的板壳单元来描述洗衣机机箱的特征。考虑到实际情况，对洗衣机4个支脚施加全约束。进行网格划分时，采用自动划分方式，单元尺寸为20mm，得到的有限元模型单元数为44 657个。洗衣机机箱的材料为钢板，厚度为0.8mm，弹性模量为2.07×1011MPa，泊松比为0.3，密度为7 800kg／m3。

1.2 模态分析

通过模态分析可了解和掌握结构的固有特性，得到机箱的各阶固有频率、振型等，可为结构优化提供最基本的依据。本次分析时采用ANSYS的Block Lanczos法来计算模型的前10阶模态，得到的洗衣机机箱前10阶固有频率见表1，前10阶模态的振型图如图2所示。由图2可见：机箱第1和第2阶振型为机箱侧板y方向的弯曲变形，集中在中部；第3和第4阶振型为侧板z方向的变形，中间两处较明显；第5阶振型为前面板的弯曲变形；第6阶振型为后面板的弯曲变形；第7和第8阶振型为机箱侧板上、下两处的弯曲变形；第9和第10阶为后面板的变形。由分析结果可看出，洗衣机箱体的两侧侧板刚度不足，当洗衣机正常工作时，特别是脱水工况下，机箱两侧若所受频率与固有频率接近，则容易造成两侧板的疲劳损坏。此外，在各阶频率下，洗衣机机箱的前、后面板也有一定的变形。

2 洗衣机机箱的谐响应分析

谐响应分析的目的是求解线性结构在承受按正弦规律变化的载荷时的稳态响应，计算结构在一个频率范围内的振动情况，并得到振动的幅值曲线，为分析、优化和改进结构提供依据［4］。洗衣机机箱在工作时长期受到周期载荷的作用，因此，需确定机箱的关键部位在谐响应分析中的情况。模态分析中的有限元模型也可用于谐响应分析中，但需要考虑载荷的情况，将洗衣机外筒的总重量35kg作为负载，考虑到实际情况，对洗衣机4个支脚也施加全约束，在机箱的侧板中点处拾取一点施加激振力，根据模态分析结果，频率范围设置为10Hz～100Hz，采用ANSYS中的模态叠加法对机箱进行谐响应分析，载荷子步数设为50步。根据相关步骤进行求解后，通过ANSYS中的时间-历程后处理器可得到洗衣机机箱的位移-频率变化曲线。洗衣机机箱侧板中间处沿虚拟X、Y、Z轴的位移响应较大，其中节点3 800的位移-频率曲线如图3所示。

由图3可知，在频率23Hz附近沿X、Y、Z向均产生了较大的响应，X向达到了最大振幅2.16×10-2mm，Y向达到振幅2.43×10-2mm，Z向达到振幅5.19×10-3mm，所以洗衣机机箱的低阶固有频率对结构的振动影响较大，且低阶固有频率越低对洗衣机机箱造成的影响越显著。低阶振型对洗衣机机箱的动态特性起决定作用，因此，要避免外界激励频率过低。

表1 洗衣机机箱前10阶固有频率 Hz

图2 洗衣机机箱的前10阶振型图

图3 节点3 800沿X、Y、Z方向的位移-频率曲线

洗衣机在脱水运转过程中的激振频率见表2，与模态分析和谐响应分析的结果对比可知：①洗衣机电机转速为600r／min～800r／min时，其激振频率中有较多与固有频率及谐响应中出现较大振幅的频率接近，因此洗衣机会出现较大振动，包括机箱的侧面中心位置、机箱后面板的上方位置和底座支架的中间位置；②洗衣机电机转速为900r／min时主要产生机箱后部的振动；③洗衣机电机转速为1 000r／min时振动相对较小；④洗衣机电机转速达到1 200r／min时会产生较大的振动，振动形式类似600r／min～800r／min时。因此，可通过程序设置避开几个关键转速，从而避开共振点，也可通过机箱的结构修改和优化来改善其固有特性来降低共振的影响。

3 结论

本文利用ANSYS软件对洗衣机机箱进行了模态分析和谐响应分析。通过模态分析得到了洗衣机机箱的前10阶固有频率和振型；并通过谐响应分析得到了洗衣机机箱在10Hz～100Hz频率激励下的最大响应。将分析结果与洗衣机脱水运转过程中的激振频率进行了对比，得出了洗衣机在各种转速下的振动情况，这为进一步研究洗衣机的减振工作提供了重要的依据。