基于ANSYS的洗衣機機箱模態(tài)及諧響應分析

張衛(wèi)芬，李永梅，遲英姿

（東南大學 成賢學院 機械工程系，江蘇 南京 210088）

0 引言

隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，滾筒式洗衣機走進了千家萬戶，但其在高速脫水時產(chǎn)生的振動和噪聲是不容忽視的現(xiàn)象。滾筒洗衣機機箱在承載洗衣機主要載荷的同時，對洗衣機的振動特性具有較大的影響，本文利用ANSYS軟件對洗衣機機箱進行有限元模態(tài)分析和諧響應分析，為洗衣機的相關設計提供依據(jù)。

1 洗衣機機箱的有限元模態(tài)分析［1－2］

1.1 洗衣機機箱的有限元模型

有限元模型的劃分網(wǎng)格對計算有很大的影響，因此，在建立機箱的三維實體模型時，忽略機箱上較小的凸臺、半徑5mm以下的孔、一些過渡圓角或倒角，而對力學性能影響較大的凹槽、加強筋等則一定要保留［3］。簡化后的洗衣機機箱有限元模型如圖1所示。

圖1 洗衣機機箱有限元模型

利用ANSYS軟件對機箱進行有限元模態(tài)分析時，所選擇的有限元單元應能最大程度地模擬實際的結(jié)構(gòu)，以得到滿足實際精度要求的結(jié)果。洗衣機機箱屬于薄板型結(jié)構(gòu)，因此，可以用板殼單元來建立其有限元模型。本文采用Shell63類型的板殼單元來描述洗衣機機箱的特征?？紤]到實際情況，對洗衣機4個支腳施加全約束。進行網(wǎng)格劃分時，采用自動劃分方式，單元尺寸為20mm，得到的有限元模型單元數(shù)為44 657個。洗衣機機箱的材料為鋼板，厚度為0.8mm，彈性模量為2.07×1011MPa，泊松比為0.3，密度為7 800kg／m3。

1.2 模態(tài)分析

通過模態(tài)分析可了解和掌握結(jié)構(gòu)的固有特性，得到機箱的各階固有頻率、振型等，可為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供最基本的依據(jù)。本次分析時采用ANSYS的Block Lanczos法來計算模型的前10階模態(tài)，得到的洗衣機機箱前10階固有頻率見表1，前10階模態(tài)的振型圖如圖2所示。由圖2可見：機箱第1和第2階振型為機箱側(cè)板y方向的彎曲變形，集中在中部；第3和第4階振型為側(cè)板z方向的變形，中間兩處較明顯；第5階振型為前面板的彎曲變形；第6階振型為后面板的彎曲變形；第7和第8階振型為機箱側(cè)板上、下兩處的彎曲變形；第9和第10階為后面板的變形。由分析結(jié)果可看出，洗衣機箱體的兩側(cè)側(cè)板剛度不足，當洗衣機正常工作時，特別是脫水工況下，機箱兩側(cè)若所受頻率與固有頻率接近，則容易造成兩側(cè)板的疲勞損壞。此外，在各階頻率下，洗衣機機箱的前、后面板也有一定的變形。

2 洗衣機機箱的諧響應分析

諧響應分析的目的是求解線性結(jié)構(gòu)在承受按正弦規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應，計算結(jié)構(gòu)在一個頻率范圍內(nèi)的振動情況，并得到振動的幅值曲線，為分析、優(yōu)化和改進結(jié)構(gòu)提供依據(jù)［4］。洗衣機機箱在工作時長期受到周期載荷的作用，因此，需確定機箱的關鍵部位在諧響應分析中的情況。模態(tài)分析中的有限元模型也可用于諧響應分析中，但需要考慮載荷的情況，將洗衣機外筒的總重量35kg作為負載，考慮到實際情況，對洗衣機4個支腳也施加全約束，在機箱的側(cè)板中點處拾取一點施加激振力，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，頻率范圍設置為10Hz～100Hz，采用ANSYS中的模態(tài)疊加法對機箱進行諧響應分析，載荷子步數(shù)設為50步。根據(jù)相關步驟進行求解后，通過ANSYS中的時間-歷程后處理器可得到洗衣機機箱的位移-頻率變化曲線。洗衣機機箱側(cè)板中間處沿虛擬X、Y、Z軸的位移響應較大，其中節(jié)點3 800的位移-頻率曲線如圖3所示。

由圖3可知，在頻率23Hz附近沿X、Y、Z向均產(chǎn)生了較大的響應，X向達到了最大振幅2.16×10-2mm，Y向達到振幅2.43×10-2mm，Z向達到振幅5.19×10-3mm，所以洗衣機機箱的低階固有頻率對結(jié)構(gòu)的振動影響較大，且低階固有頻率越低對洗衣機機箱造成的影響越顯著。低階振型對洗衣機機箱的動態(tài)特性起決定作用，因此，要避免外界激勵頻率過低。

表1 洗衣機機箱前10階固有頻率 Hz

圖2 洗衣機機箱的前10階振型圖

圖3 節(jié)點3 800沿X、Y、Z方向的位移-頻率曲線

洗衣機在脫水運轉(zhuǎn)過程中的激振頻率見表2，與模態(tài)分析和諧響應分析的結(jié)果對比可知：①洗衣機電機轉(zhuǎn)速為600r／min～800r／min時，其激振頻率中有較多與固有頻率及諧響應中出現(xiàn)較大振幅的頻率接近，因此洗衣機會出現(xiàn)較大振動，包括機箱的側(cè)面中心位置、機箱后面板的上方位置和底座支架的中間位置；②洗衣機電機轉(zhuǎn)速為900r／min時主要產(chǎn)生機箱后部的振動；③洗衣機電機轉(zhuǎn)速為1 000r／min時振動相對較??；④洗衣機電機轉(zhuǎn)速達到1 200r／min時會產(chǎn)生較大的振動，振動形式類似600r／min～800r／min時。因此，可通過程序設置避開幾個關鍵轉(zhuǎn)速，從而避開共振點，也可通過機箱的結(jié)構(gòu)修改和優(yōu)化來改善其固有特性來降低共振的影響。

3 結(jié)論

本文利用ANSYS軟件對洗衣機機箱進行了模態(tài)分析和諧響應分析。通過模態(tài)分析得到了洗衣機機箱的前10階固有頻率和振型；并通過諧響應分析得到了洗衣機機箱在10Hz～100Hz頻率激勵下的最大響應。將分析結(jié)果與洗衣機脫水運轉(zhuǎn)過程中的激振頻率進行了對比，得出了洗衣機在各種轉(zhuǎn)速下的振動情況，這為進一步研究洗衣機的減振工作提供了重要的依據(jù)。

表2 洗衣機脫水運轉(zhuǎn)過程中的激振頻率

［1］ 葉先磊，史亞杰.ANSYS工程分析應用軟件示例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［2］ 陳精一，蔡國忠.電腦輔助工程分析ANSYS使用指南［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［3］ 徐超，左言言，李小川.滾筒洗衣機箱體振動與噪聲控制［J］.環(huán)境工程，2008（2）：57-59.

［4］ 邵景范，李文斌.基于ANSYS的電鍍CBN砂輪模態(tài)分析及諧響應分析［J］.機械工程與自動化，2011（4）：67-69.