家用洗碗機(jī)振動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)

毛璐瑤，郭偉科，吳智恒，張華偉

（廣東省智能制造研究所，廣東 廣州 510651）

1 引言

近年來(lái)隨著人民生活水平的提高，家用洗碗機(jī)逐步得到普及，振動(dòng)和噪聲成為用戶(hù)關(guān)注和選擇家用洗碗機(jī)的重要性能指標(biāo)之一[1]。傳統(tǒng)洗碗機(jī)的減振降噪往往依靠大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行振動(dòng)噪聲的研究和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，不僅浪費(fèi)人力物力，而且研發(fā)周期較長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助數(shù)值仿真技術(shù)與少量試驗(yàn)相結(jié)合的方法，能夠極大的提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，節(jié)約研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期[2]。為降低某款家用洗碗機(jī)的振動(dòng)和噪聲，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方式，分析某洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生源頭，從結(jié)構(gòu)共振和振動(dòng)噪聲能量傳遞入手，對(duì)該洗碗機(jī)的內(nèi)膽和水杯結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低洗碗機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

2 洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

某家用洗碗機(jī)三維結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其工作原理為，水通過(guò)入水口進(jìn)入洗碗機(jī)水杯，通過(guò)電熱元件對(duì)水加熱，然后洗滌泵將水杯中的水抽出，熱水流通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴臂高壓噴出，噴臂在水流的反作用力下旋轉(zhuǎn)，使水噴到洗碗機(jī)內(nèi)部各個(gè)角落，沖洗餐具，在高溫水流和洗滌劑作用下，可有效除去餐具上的油污。最后水仍舊落入水箱，沖洗下來(lái)的渣子被網(wǎng)格擋住，油漬飄浮在水面上，通過(guò)排污口排出。這樣熱水可循環(huán)使用，以節(jié)約用水和能耗[3]。

圖1 洗碗機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Three-Dimensional Structure of Dishwasher

3 樣機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試

3.1 樣機(jī)噪聲測(cè)試

該洗碗機(jī)的降噪目標(biāo)是將噪音控制在39dB以下，從而使該產(chǎn)品的噪聲達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。依據(jù)：《IEC 60704-1：1997家用及類(lèi)似用途電器發(fā)出的氣載噪聲的測(cè)試規(guī)程—通用要求》和《IEC 60704-2-3：2005家用電器確定空氣噪聲的試驗(yàn)方法—對(duì)洗碗機(jī)的特殊要求》，對(duì)洗碗機(jī)樣機(jī)進(jìn)行噪音測(cè)試[4]，測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。從噪音頻譜上可以看出，噪音較大處主要集中在100和200Hz附近，噪音的分貝值達(dá)到了52.72dB。為了了解洗碗機(jī)哪些結(jié)構(gòu)輻射噪聲，需要測(cè)試洗碗機(jī)外殼的振動(dòng)。

圖2 噪聲測(cè)試結(jié)果Fig.2 Noise Test Results

3.2 樣機(jī)振動(dòng)測(cè)試

由于洗碗機(jī)箱體外殼和內(nèi)膽之間有減振隔音裝置，其工作時(shí)主要從箱門(mén)一側(cè)輻射噪聲，因此振動(dòng)測(cè)試主要集中在箱門(mén)一側(cè)。振動(dòng)測(cè)試位置分布，如圖3所示。

圖3 洗碗機(jī)振動(dòng)測(cè)試位置分布Fig.3 Vibration Test Location Distribution of the Dishwasher

樣機(jī)在正常洗滌工作狀態(tài)下，外殼振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。通過(guò)外殼的振動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)振源（噪音源）主要來(lái)自于洗碗機(jī)的下部，并且振動(dòng)的主要頻率也是100Hz和200Hz左右。從外殼的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，振動(dòng)主要來(lái)源于下面的電機(jī)及泵體。而振動(dòng)頻率是由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的受迫振動(dòng)還是某些結(jié)構(gòu)發(fā)生共振引起的，需要通過(guò)對(duì)洗碗機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析確定。通過(guò)模態(tài)分析可以了解洗碗機(jī)部件在某易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，從而可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)，在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)[5]。

圖4 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Fig.4 Vibration Test Results

4 洗碗機(jī)部件模態(tài)分析

4.1 洗碗機(jī)模態(tài)分析材料參數(shù)

洗碗機(jī)箱體主要結(jié)構(gòu)材料有ABS塑料、PP+T20塑料、鋼材和EPDM橡膠，其材料屬性，如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical Parameter of the Materials

4.2 箱門(mén)模態(tài)分析

圖5 洗碗機(jī)箱門(mén)幾何模型Fig.5 Geometric Model of Dishwashers’Doors

表2 洗碗機(jī)各部件前十階模態(tài)固有頻率Tab.2 The Dishwasher Parts First Ten Order Modal Frequencies

由于洗碗機(jī)箱門(mén)是洗碗機(jī)向外界輻射噪聲的主要部件之一。因此，研究洗碗機(jī)振動(dòng)噪聲與結(jié)構(gòu)固有頻率的關(guān)系，洗碗機(jī)箱門(mén)是重點(diǎn)需要關(guān)注的對(duì)象。利用CAE軟件Hyperworks對(duì)洗碗機(jī)的零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。洗碗機(jī)門(mén)的幾何模型，如圖5所示。洗碗機(jī)內(nèi)外門(mén)為薄板結(jié)構(gòu)，利用Hypermesh劃分網(wǎng)格，然后利用Radioss對(duì)洗碗機(jī)的內(nèi)門(mén)和外門(mén)作模態(tài)分析[6]，前十階模態(tài)固有頻率，如表2所示。從表2中對(duì)洗碗機(jī)內(nèi)門(mén)和外門(mén)的模態(tài)分析結(jié)果可以看出，內(nèi)門(mén)薄板結(jié)構(gòu)第1階和第6階模態(tài)的固有頻率分別在100Hz和200Hz附近，外門(mén)第2、3、4階的模態(tài)頻率在100Hz附近。結(jié)合前面的試驗(yàn)結(jié)果，振動(dòng)和噪聲主要集中在100Hz和200Hz附近，說(shuō)明洗碗機(jī)箱門(mén)結(jié)構(gòu)固有頻率對(duì)洗碗機(jī)噪聲有較大的影響。由于洗碗機(jī)薄板結(jié)構(gòu)較多，并且在100Hz和200Hz附近有比較多的薄板模態(tài)。由于結(jié)構(gòu)表面聲壓和結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)速度成正比[7]，因而對(duì)于薄板其模態(tài)的振幅與噪音輻射成正比關(guān)系，因此可以通過(guò)改變這些結(jié)構(gòu)輻射噪音的模態(tài)的方式來(lái)降低噪音，如：（1）可提高模態(tài)頻率減小振幅，或者避免結(jié)構(gòu)共振；（2）減小洗碗機(jī)內(nèi)部激勵(lì)源傳到箱門(mén)的能量。

4.3 內(nèi)膽模態(tài)分析

洗碗機(jī)噪聲主要由電機(jī)噪聲、洗滌噪聲、流體噪聲組成，引起洗碗機(jī)噪聲的原因比較復(fù)雜，通過(guò)對(duì)內(nèi)膽進(jìn)行模態(tài)分析，研究噪聲產(chǎn)生的主要原因是否是由于內(nèi)膽的共振。由于洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為便于進(jìn)行有限元分析，需要對(duì)洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。由于內(nèi)膽主要為薄板結(jié)構(gòu)，因此內(nèi)膽采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后單元數(shù)為29142，用質(zhì)量塊簡(jiǎn)化托盤(pán)、碗欄組件、水杯、電機(jī)的質(zhì)量，內(nèi)膽與質(zhì)量塊之間用梁?jiǎn)卧B接。洗碗機(jī)內(nèi)膽和有限元模型，如圖6所示。內(nèi)膽前十階模態(tài)分析結(jié)果，如表2所示。從表2可以看出，內(nèi)膽整體各階模態(tài)頻率較小，前十階模態(tài)頻率最大為52.7Hz較100Hz小很多。因此洗碗機(jī)產(chǎn)生較大振動(dòng)和噪聲的主要原因并不是內(nèi)膽整體的共振。

圖6 洗碗機(jī)內(nèi)膽幾何模型和有限元模型Fig.6 Geometry Model and Finite Element Model of Disherwasher’S Tank

4.4 內(nèi)膽底板模態(tài)分析

由于電機(jī)安裝在內(nèi)膽底板上，因此需要關(guān)注內(nèi)膽底板的共振頻率。為此，對(duì)內(nèi)膽底板進(jìn)行模態(tài)分析，其前十階模態(tài)頻率，如表2所示。由于電機(jī)的激勵(lì)頻率為100Hz，因此需要關(guān)注底板100Hz附近的頻率和模態(tài)。從表2可以看出，底板前十階固有頻率中第五階模態(tài)的固有頻率114Hz，較接近100Hz。因此，為減小電機(jī)激勵(lì)對(duì)底板共振的影響，需要對(duì)底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可通過(guò)添加加強(qiáng)筋的方式增加底板的剛度，從而提高底板第五階模態(tài)的固有頻率。

5 洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 內(nèi)膽底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

利用Optistruct軟件通過(guò)加入加強(qiáng)筋的方式對(duì)內(nèi)膽底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]。在優(yōu)化內(nèi)膽底板時(shí)，需要綜合考慮底板的對(duì)稱(chēng)性和排渣的通暢性。以底板的固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，施加對(duì)稱(chēng)約束和方向約束。通過(guò)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果，如圖7（a）所示。其中一個(gè)表示筋深度10mm，另一個(gè)表示0，中間表示（0～10）mm之間。由于這個(gè)結(jié)果很不規(guī)則，只能作為加筋的參考。

圖7 內(nèi)膽底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果Fig.7 Structure Optimization Results of the Tank Bottom

根據(jù)上面的加筋思路，結(jié)合實(shí)際，前面原來(lái)小橫筋去掉，加3條縱筋，后面原來(lái)寬筋去掉，加2條縱筋，左右各加1條橫筋，寬度均為40mm，深度5mm，優(yōu)化后內(nèi)膽底板布局，如圖7（b）所示。底板第五階模態(tài)優(yōu)化前后對(duì)比，如圖8所示。優(yōu)化前模態(tài)（左）freq=114Hz、優(yōu)化后模態(tài)（右）freq=128Hz，第五階模態(tài)固有頻率增加了14Hz，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的內(nèi)膽底板的第5階模態(tài)固有頻率顯著增加，能夠有效的避免內(nèi)膽底板的共振。為了解內(nèi)膽底板優(yōu)化后內(nèi)膽整體的振動(dòng)響應(yīng)情況，需要對(duì)內(nèi)膽整體進(jìn)行諧響應(yīng)分析。利用RADIOSS軟件對(duì)內(nèi)膽底板優(yōu)化后的內(nèi)膽整體進(jìn)行諧響應(yīng)分析。內(nèi)膽在100Hz激勵(lì)下優(yōu)化前后內(nèi)膽特定位置的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比曲線(xiàn)，如圖9所示。從內(nèi)膽整體的諧響應(yīng)仿真分析結(jié)果可以看出，在幾乎所有頻率段優(yōu)化設(shè)計(jì)的振動(dòng)響應(yīng)都是優(yōu)于原始設(shè)計(jì)的。

圖8 內(nèi)膽底板第5階模態(tài)優(yōu)化結(jié)果前后對(duì)比Fig.8 Contrast of Before and After the Fifth Order Modal Optimization of the Tank Floor

圖9 優(yōu)化前后振動(dòng)響應(yīng)比較Fig.9 Comparison Between the Vibration Response Before and After Optimization

5.2 優(yōu)化后樣機(jī)噪音測(cè)試

圖10 優(yōu)化后的樣機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果圖Fig.10 Result of Optimization of the Sample Noise Test

根據(jù)之前的試驗(yàn)和仿真分析，通過(guò)優(yōu)化內(nèi)膽底板結(jié)構(gòu)來(lái)避免內(nèi)膽底板的共振，從而降低洗碗機(jī)的振動(dòng)和噪音。對(duì)優(yōu)化后的洗碗機(jī)樣機(jī)進(jìn)行噪音測(cè)試，結(jié)果，如圖10所示。從圖10的樣機(jī)聲功率級(jí)曲線(xiàn)可以看出，優(yōu)化后的樣機(jī)噪聲為38.87dB＜39dB，滿(mǎn)足該洗碗機(jī)減振降噪的設(shè)計(jì)要求，這里所采用的洗碗機(jī)減振降噪方案是可行的。

6 結(jié)論

（1）振源（噪音源）主要來(lái)自于洗碗機(jī)的下部的電機(jī)和水泵，并且振動(dòng)和噪聲的主要頻率是100Hz和200Hz左右；（2）通過(guò)對(duì)洗碗機(jī)箱門(mén)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明箱門(mén)結(jié)構(gòu)的固有頻率對(duì)洗碗機(jī)的噪聲有較大的影響；（3）洗碗機(jī)產(chǎn)生較大振動(dòng)不是由洗碗機(jī)內(nèi)膽整體的共振引起的，而內(nèi)膽底板的第五階模態(tài)為114Hz比較接近100Hz，內(nèi)膽底板的共振對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲的影響較大；（4）通過(guò)對(duì)內(nèi)膽底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效提高了內(nèi)膽底板的第五階模態(tài)頻率，避免了內(nèi)膽底板的共振；（5）通過(guò)優(yōu)化洗碗機(jī)內(nèi)膽底板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后樣機(jī)噪聲為38.87dB，滿(mǎn)足＜39dB的設(shè)計(jì)要求。

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