基于ANSYS的洗衣機機箱模態及諧響應分析

張衛芬，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生的振動和噪聲是不容忽視的現象。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分析和諧響應分析，為洗衣機的相關設計提供依據。

1 洗衣機機箱的有限元模態分析［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構，以得到滿足實際精度要求的結果。洗衣機機箱屬于薄板型結構，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。考慮到實際情況，對洗衣機4個支腳施加全約束。進行網格劃分時，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 模態分析

通過模態分析可了解和掌握結構的固有特性，得到機箱的各階固有頻率、振型等，可為結構優化提供最基本的依據。本次分析時采用ANSYS的Block Lanczos法來計算模型的前10階模態，得到的洗衣機機箱前10階固有頻率見表1，前10階模態的振型圖如圖2所示。由圖2可見：機箱第1和第2階振型為機箱側板y方向的彎曲變形，集中在中部；第3和第4階振型為側板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。由分析結果可看出，洗衣機箱體的兩側側板剛度不足，當洗衣機正常工作時，特別是脫水工況下，機箱兩側若所受頻率與固有頻率接近，則容易造成兩側板的疲勞損壞。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構在承受按正弦規律變化的載荷時的穩態響應，計算結構在一個頻率范圍內的振動情況，并得到振動的幅值曲線，為分析、優化和改進結構提供依據［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，在機箱的側板中點處拾取一點施加激振力，根據模態分析結果，頻率范圍設置為10Hz～100Hz，采用ANSYS中的模態疊加法對機箱進行諧響應分析，載荷子步數設為50步。根據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。洗衣機機箱側板中間處沿虛擬X、Y、Z軸的位移響應較大，其中節點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構的振動影響較大，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 節點3 800沿X、Y、Z方向的位移-頻率曲線

洗衣機在脫水運轉過程中的激振頻率見表2，與模態分析和諧響應分析的結果對比可知：①洗衣機電機轉速為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較大振幅的頻率接近，因此洗衣機會出現較大振動，包括機箱的側面中心位置、機箱后面板的上方位置和底座支架的中間位置；②洗衣機電機轉速為900r／min時主要產生機箱后部的振動；③洗衣機電機轉速為1 000r／min時振動相對較小；④洗衣機電機轉速達到1 200r／min時會產生較大的振動，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速，從而避開共振點，也可通過機箱的結構修改和優化來改善其固有特性來降低共振的影響。

3 結論

本文利用ANSYS軟件對洗衣機機箱進行了模態分析和諧響應分析。通過模態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。將分析結果與洗衣機脫水運轉過程中的激振頻率進行了對比，得出了洗衣機在各種轉速下的振動情況，這為進一步研究洗衣機的減振工作提供了重要的依據。

表2 洗衣機脫水運轉過程中的激振頻率

［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砂輪模態分析及諧響應分析［J］.機械工程與自動化，2011（4）：67-69.