基于ANSYS仿真的溫度對(duì)洗碗機(jī)固頻的影響研究及噪聲優(yōu)化

何志超 王曉妮 顧然升 赫家寬 王領(lǐng) 朱劍鋒

HE Zhichao WANG Xiaoni GU Ransheng HE Jiakuan WANG Ling ZHU Jianfeng

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

Zhuhai Gree Electric Appliances Co., Ltd. Zhuhai 519070

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)和噪聲成為用戶關(guān)注和選擇家用洗碗機(jī)的重要性能指標(biāo)之一[1]。臺(tái)式洗碗機(jī)中的洗滌泵與排水泵為主要振動(dòng)源，當(dāng)內(nèi)膽的固頻與激勵(lì)源頻率接近或相同的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，傳遞并放大泵體的低頻聲，而這種低頻噪聲波長(zhǎng)短，攜帶的能量大，在居家廚房中不易通過(guò)反射面來(lái)阻隔，極易傳到客廳及臥室影響人們休息。因此，在洗碗機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)內(nèi)膽等零部件的固有頻率進(jìn)行準(zhǔn)確分析，避開共振頻率，提高洗碗機(jī)的可靠性。

洗碗機(jī)在洗滌模式時(shí)，發(fā)熱板開始工作，對(duì)內(nèi)膽中的循環(huán)水持續(xù)加熱到70℃，溫度會(huì)改變零部件的固有頻率，影響其模態(tài)參數(shù)。以往的零部件模態(tài)分析，只考慮其本身的固有頻率，未考慮環(huán)境因素的影響，忽略了溫度變化對(duì)模態(tài)的影響，對(duì)產(chǎn)品前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成誤差。

本文通過(guò)ANSYS有限元分析、LMS模態(tài)、ODS測(cè)試，對(duì)內(nèi)膽進(jìn)行模態(tài)分析測(cè)試，并研究溫度變化下固有頻率的變化趨勢(shì)。避免在加熱工作狀態(tài)下內(nèi)膽的共振頻率與洗滌泵的基礎(chǔ)頻譜相接近而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，為洗碗機(jī)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)分析與共振機(jī)理

2.1 洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)分析

洗碗機(jī)內(nèi)膽是連接底座與外殼的主要零部件，底座通過(guò)四腳與地面接觸，洗滌泵、排水泵、發(fā)熱盤、水杯均安裝在底座上，內(nèi)膽通過(guò)橡膠塞與底座相連達(dá)到密封狀態(tài)，下部周邊打有螺釘柱與底座緊緊連接，上部同樣通過(guò)螺釘柱與外殼緊緊連接。內(nèi)膽在整個(gè)振動(dòng)傳遞過(guò)程中尤為重要，此外，洗碗機(jī)箱門下部通過(guò)鉸鏈連接底座，振動(dòng)同樣會(huì)通過(guò)箱門傳遞出來(lái)。

2.2 洗碗機(jī)共振機(jī)理

振動(dòng)的概念：物體（或物體的一部分）沿直線或曲線以一時(shí)間周期經(jīng)過(guò)其平衡位置所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

共振是指系統(tǒng)受到外界激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的響應(yīng)，表現(xiàn)為大幅度的振動(dòng)，此時(shí)外界激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率相同或者非常接近。共振帶來(lái)較大的振動(dòng)噪聲，應(yīng)盡量避免[2]。

固有頻率的定義：結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在受到外界瞬態(tài)激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)時(shí)，將按特定頻率發(fā)生自然振動(dòng)，這個(gè)特定的頻率被稱為結(jié)構(gòu)的固有頻率[3]。

在無(wú)阻尼、單自由度系統(tǒng)中，其固有頻率計(jì)算公式如下：

式中，k為物體的勁度系數(shù)，單位N/m；m為物體的質(zhì)量，單位kg。

對(duì)洗碗機(jī)內(nèi)膽和箱門的結(jié)構(gòu)和裝配情況分析，洗碗機(jī)的內(nèi)膽、箱門振動(dòng)屬于受迫振動(dòng)，洗碗機(jī)的洗滌泵屬于自激振動(dòng)。當(dāng)兩者的振動(dòng)頻率相近時(shí)則發(fā)生共振現(xiàn)象，使洗碗機(jī)的噪聲大幅度增大，低頻聲變明顯。

3 固有頻率與溫度關(guān)系

洗碗機(jī)由于其本身加熱的特性，內(nèi)膽的溫度受發(fā)熱盤加熱的影響較大，考慮到溫度有可能會(huì)影響固頻屬性，因此我們要分析溫度與固頻之間的關(guān)系，進(jìn)一步確定內(nèi)膽、外門的動(dòng)力學(xué)特性。

為與樣機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，測(cè)試各部件在不同運(yùn)行時(shí)間的溫度變化，測(cè)試點(diǎn)分別為內(nèi)膽左側(cè)面、內(nèi)膽底蓋加熱盤處、內(nèi)膽后側(cè)面、排水泵處等。測(cè)試結(jié)果顯示，內(nèi)膽底蓋加熱盤處的溫度最高可達(dá)60℃左右，內(nèi)膽左側(cè)溫度最高為45℃左右；整個(gè)過(guò)程有兩個(gè)明顯的溫度峰值，分別在20 min和60 min左右。溫度與噪聲隨時(shí)間的變化基本一致，在20 min和50～60 min里都出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，兩者有一定的聯(lián)系，如圖1、2所示。

圖1 噪聲峰值隨時(shí)間變化曲線

圖2 工作溫度隨時(shí)間變化曲線

圖3 外門固頻隨溫度曲線

圖4 內(nèi)膽固頻隨溫度曲線

3.1 內(nèi)膽與外門固頻隨溫度的變化

測(cè)試單內(nèi)膽及外門在不同溫度下的固有頻率。我們將主要影響的零部件內(nèi)膽和外門單獨(dú)取下，放入烘箱中，測(cè)試其30℃、40℃、50℃、60℃、70℃不同溫度的固有頻率，結(jié)果如圖3、4所示。外門與內(nèi)膽隨溫度的升高，固有頻率降低。從30℃升至70℃，外門第三階固頻降低5 Hz，內(nèi)膽第三階固頻降低13 Hz。內(nèi)膽在裝配情況下，固頻略微升高（105～110 Hz左右），隨著溫度的升高，固頻降低到100 Hz附近，從而產(chǎn)生共振，高階次的固頻受溫度的影響更大。

3.2 不同材料其固頻隨溫度的變化

將不同材料的樣品件（PP、ABS、PP-GF23）放在不同溫度下的烘箱中烘烤50分鐘，測(cè)試30℃、40℃、50℃、60℃、70℃溫度樣品件的固有頻率，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同材料固頻隨溫度變化曲線

從圖5中可以看出，隨著處理溫度的升高，不同材料制作的樣件其固有頻率變化規(guī)律不同。其中PP材料由于較大的收縮應(yīng)力，一、二階固頻變化較大；材料ABS的固有頻率隨溫度變化較小，一階固頻隨溫度升高到70℃只降低10 Hz左右，性能更穩(wěn)定。固有頻率主要跟質(zhì)量與剛度有直接關(guān)系，工作溫度附近的保溫促使PP材料發(fā)生應(yīng)力松弛，相應(yīng)剛度也會(huì)隨著有明顯變化，間接影響了其固有頻率的改變。

4 LMS模態(tài)、ODS測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)觀察洗碗機(jī)內(nèi)膽、外門振動(dòng)明顯，而單體泵測(cè)試其加速度有效值（表1）為8.93 mm2/s。通過(guò)分析，內(nèi)膽、外門與底座通過(guò)螺釘連接，當(dāng)洗滌泵的振動(dòng)比較大時(shí)會(huì)傳遞到外門與內(nèi)膽上。因此，我們采用模態(tài)、工作變形測(cè)試，進(jìn)行具體分析。

表1 洗滌泵振動(dòng)加速度隨運(yùn)行時(shí)間的變化

4.1 內(nèi)膽、外門模態(tài)測(cè)試

本文基于LMS Impact軟件，通過(guò)錘擊法測(cè)試得到固頻模態(tài)。對(duì)于錘擊法有兩種測(cè)量方式，一種是移動(dòng)力錘，另一種是移動(dòng)傳感器。在此選擇移動(dòng)傳感器的方法，避免丟失其他方向的模態(tài)[4]。首先根據(jù)內(nèi)膽、外門幾何特征合理進(jìn)行簡(jiǎn)化，并畫出試件的幾何模型，幾何模型由點(diǎn)、線或面構(gòu)成，而模型中的點(diǎn)用于表征實(shí)際的測(cè)量位置。我們選取外門、外門上合適的點(diǎn)作為模態(tài)參考點(diǎn)。傳感器作為響應(yīng)傳感器，移動(dòng)傳感器，敲擊力錘得到外門在100.8 Hz的模態(tài)振型，內(nèi)膽在108.8 Hz的模態(tài)振型，具體振型如圖6所示。

圖6 內(nèi)膽、外門模態(tài)測(cè)試

4.2 內(nèi)膽、外門ODS 工作變形測(cè)試

工作變形分析ODS（Operating Deflection Shapes）是指機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性分析，即描述工作情況下零件是怎樣振動(dòng)的[5]。利用振動(dòng)ODS方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，要求結(jié)構(gòu)具有比較規(guī)則的形狀且能夠用測(cè)量傳感器的位置坐標(biāo)來(lái)描述其外部輪廓，因此在洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析中，振動(dòng)ODS方法比較適于對(duì)洗碗機(jī)的內(nèi)膽、外門等較大型總成的振動(dòng)分析[6]。

在工程上，利用振動(dòng)ODS方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，一般測(cè)量參數(shù)是結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度，而且測(cè)量點(diǎn)和參考點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)要同時(shí)測(cè)量，分析的關(guān)鍵是參考點(diǎn)的選擇。通常，振動(dòng)ODS的參考點(diǎn)要選擇在振動(dòng)敏感區(qū)，并且應(yīng)與測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)具有較好的相干性[7]。

本文基于LMS Spectral軟件，根據(jù)內(nèi)膽、外門幾何特征合理進(jìn)行簡(jiǎn)化，并畫出試件的ODS分析結(jié)構(gòu)模型，對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行約束，使測(cè)點(diǎn)位置與模型對(duì)應(yīng)。測(cè)得內(nèi)膽、外門的工作變形，在100 Hz處外門底部、內(nèi)膽左側(cè)、后側(cè)振動(dòng)局部變形明顯，如圖7所示。

圖7 內(nèi)膽、外門ODS測(cè)試

結(jié)合模態(tài)、ODS測(cè)試結(jié)果，并考慮工作時(shí)溫度變化對(duì)零部件固有頻率的影響。需對(duì)具體零部件進(jìn)行優(yōu)化，使其固頻改變錯(cuò)開共振頻率。

5 模態(tài)仿真分析優(yōu)化

以洗碗機(jī)內(nèi)膽、箱門為研究對(duì)象，采用ANSYS模態(tài)分析的方法，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免共振噪音的產(chǎn)生。ANSYS模態(tài)分析是分析物體結(jié)構(gòu)固有頻率的分析軟件，屬于有限元分析法。在分析前需要建立有限元模型，并定義材料屬性，劃分網(wǎng)格，設(shè)置約束類型和條件，給予一定范圍的頻率激勵(lì)，求解洗碗機(jī)內(nèi)膽前6階的固有頻率[8]。

5.1 仿真模型構(gòu)建

基于三維軟件creo2.0去除洗碗機(jī)內(nèi)膽、箱門細(xì)小的倒圓角、倒角等不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能的特征，減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量，縮短計(jì)算的時(shí)間和資源，提高分析效率。

5.2 定義材料屬性

將處理好后的模型導(dǎo)入workbench平臺(tái)中，設(shè)置材料為塑料PP，定義材料屬性：密度為0.90～0.91 g/cm3，泊松比為0.4203，彈性模量為0.89 GPa。

5.3 網(wǎng)格劃分

為了既滿足求解的網(wǎng)格精度要求，又能節(jié)約計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源，對(duì)洗碗機(jī)采用實(shí)體單元。

5.4 約束和載荷設(shè)置

在對(duì)洗碗機(jī)內(nèi)膽進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，設(shè)置約束的類型主要是內(nèi)膽四周與底座固定連接的柱約束，底座給內(nèi)膽的面約束。對(duì)洗碗機(jī)箱門設(shè)置約束類型主要是箱體對(duì)門的面約束，鉸鏈連接的柱約束。載荷只需要設(shè)置激勵(lì)的頻率范圍，設(shè)置為0～500 Hz，求解前6階的固有頻率。

5.5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)ANSYS15.0仿真得到內(nèi)膽、外門、內(nèi)門前9階固有頻率。在外門處得到101 Hz的固有頻率，同洗滌泵基頻50 Hz接近，存在發(fā)生共振現(xiàn)象的可能，在內(nèi)膽（111 Hz）與內(nèi)門（94 Hz）均未有基頻50 Hz倍頻附近的固有頻率，具體如圖8所示。經(jīng)上述實(shí)際分析洗碗機(jī)的內(nèi)膽直接接觸水，受水溫的影響較大，因此應(yīng)結(jié)合溫度與固頻的關(guān)系進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)存在共振風(fēng)險(xiǎn)的頻率進(jìn)行規(guī)避。

圖8 優(yōu)化前模態(tài)仿真

6 洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)模態(tài)測(cè)試、ODS測(cè)試及模態(tài)仿真，結(jié)合不同材料固頻隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行如下具體分析。洗滌泵為主要激勵(lì)源，但其隨溫度變化不大，因此針對(duì)低頻噪音，通過(guò)優(yōu)化傳遞路徑上的主要結(jié)構(gòu)。模態(tài)仿真與模態(tài)測(cè)試結(jié)果顯示外門底部存在101 Hz左右的固頻，易發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，故外門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。內(nèi)膽通過(guò)模態(tài)仿真、測(cè)試存在111 Hz固頻，而內(nèi)膽直接接觸循環(huán)水，水溫的變化較大，水溫最高達(dá)到70℃，結(jié)合溫度與固頻的關(guān)系，固頻會(huì)降低10 Hz左右，內(nèi)膽的固頻由111 Hz變化為100 Hz，與激勵(lì)源頻率接近，發(fā)生共振，并傳遞低頻噪音。因此具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化為在外門底部、內(nèi)膽后側(cè)與左側(cè)增加加強(qiáng)筋，增加其結(jié)構(gòu)的剛度，保證其固頻改變錯(cuò)開共振頻率，為驗(yàn)證此方法，對(duì)加筋后的外門、內(nèi)膽進(jìn)行模態(tài)仿真，外門其固頻變?yōu)?20 Hz，內(nèi)膽其固頻變?yōu)?30 Hz，如圖9所示。這樣即使在高溫的情況下依舊能錯(cuò)開100 Hz激勵(lì)頻率，避免發(fā)生共振。

圖9 優(yōu)化后模態(tài)仿真

優(yōu)化前的內(nèi)膽存在111 Hz左右的固頻，洗碗機(jī)工作時(shí)溫度逐漸升高，最高溫度到70℃，內(nèi)膽的固頻會(huì)隨溫度的升高降低10 Hz左右，其固頻接近100 Hz，與洗滌泵之間發(fā)生共振。加筋優(yōu)化后其內(nèi)膽固頻為131 Hz，在洗碗機(jī)加熱至最高溫度下，依舊保證其固頻錯(cuò)開100 Hz共振風(fēng)險(xiǎn)，避免低頻噪聲通過(guò)內(nèi)膽傳播。將制作的加筋內(nèi)膽與外門手板安裝到整機(jī)上，現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)低頻聲得到明顯改善，強(qiáng)勁洗模式下采集洗碗機(jī)洗滌全程的頻譜，在加熱狀態(tài)下各時(shí)間段的峰值穩(wěn)定保持在30 dB(A)左右，峰值與總值差穩(wěn)定在16 dB(A)以上，如圖10所示。

圖10 噪音頻譜對(duì)比

7 結(jié)論

本文通過(guò)研究不同材料固有頻率與溫度的關(guān)系，并使用LMS測(cè)試軟件得到其模態(tài)、ODS振型，再結(jié)合ANSYS15.0仿真軟件，對(duì)洗碗機(jī)內(nèi)膽及外門進(jìn)行有限元模態(tài)分析，最終對(duì)內(nèi)膽、外門進(jìn)行局部加筋，改變其固頻與振型，分析了工作溫度對(duì)內(nèi)膽、外門的固頻影響，有效避免與激勵(lì)源發(fā)生共振與低頻噪音放大傳遞。

洗碗機(jī)在高溫加熱的狀態(tài)下，經(jīng)優(yōu)化后的外門、內(nèi)膽其固頻為131 Hz、120 Hz，并且在溫度逐漸升高的工作下保證錯(cuò)開洗滌泵100 Hz共振，音質(zhì)得到明顯改善，頻譜顯示在100 Hz的峰值由之前的44.28 dB降到30.75 dB左右，取得了理想效果，后續(xù)前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)和仿真分析應(yīng)考慮溫度對(duì)材料結(jié)構(gòu)性能的影響。