基于Workbench的滾筒洗衣機內筒靜力分析

翁雙 張俊

摘 要：本文運用NX8.5建模軟件和有限元分析軟件ANSYS WorkBench建立某型號滾筒洗衣機滾筒組件實體模型并導入有限元分析軟件，對洗衣機滾筒在靜載工況下的受力進行結構力學分析，并得出滾筒變形情況，最后通過分析結果提出了對滾筒組件的改進建議。

關鍵詞：滾筒洗衣機；滾筒；ANSYS WorkBench

當前，滾筒洗衣機已經越來越普及，其耐用性則顯得尤為重要。洗衣機滾筒組件是洗衣機的關鍵受力承載部件。滾筒在工作過程中有較大變形，則會減短使用壽命，加速其本身以及相關零部件的損壞。因此，分析滾筒變形情況，減小滾筒總體變形在總體設計中顯得尤為重要。運用NX8.5建模軟件和ANSYS WorkBench對某型號滾筒洗衣機的滾筒組件進行實體建模并導入有限元分析軟件進行結構靜力分析，得出滾筒變形情況，通過軟件分析結果得出危險部位，為滾筒結構改進提供數據參考。

1 滾筒組件建模

滾筒洗衣機滾筒組件為懸臂結構。通過測繪我們得到滾筒相關幾何尺寸，通過NX8.5軟件對組件進行三維建模。為了保證有限元分析過程中網格劃分的質量，需要對三維模型進行簡化處理，去除螺栓孔等細小附件；去除部分圓角等。最終簡化的洗衣機滾筒模型如圖1所示。

圖1 洗衣機滾筒簡化模型

2 滾筒組件有限元模型

將由NX8.5建立的三維模型導出Parasolid模型，格式為*.x_t文件，導入到ANSYS WorkBench中。

2.1 劃分網格和定義材料屬性

滾筒結構有特定的力學特性，軸和支架采用Solid45單元來劃分網格，其為8節點六面體類型，該單位有x、y、z三個方向自由度，單元具有蠕變、塑性、大應變、膨脹、應力強化等能力，計算精度較高，便于施加載荷。

滾筒本體采用Shell63單元，其中Shell63單元具有薄膜和彎曲能力，可以承受法向荷載和平面內荷載，單元每個節點具有6個自由度，即沿節點坐標系x、y、z方向的平移自由度和沿節點坐標系x、y、z軸的轉動自由度，包括了應力強化和大變形能力。滾筒組件材料和力學性能見下表1。

表1 滾筒組件材料和力學性能表

對軸、三角支架和滾筒進行自由網格劃分。網格劃分好的滾筒組件如圖2所示。

2.2 添加約束

約束添加方面，對軸承與滾筒軸連接部進行軸向和周向約束，來仿真軸與軸承的連接。

3 施加載荷進行有限元計算分析

3.1 滾筒組件施加載荷

我們將通過洗衣機滾筒高速脫水狀態下的有限元靜力學分析，得出最大變形量以及應力集中部位。下面是對滾筒的載荷分析：

滾筒主要受到三種力的作用：（1）衣物和水對滾筒的壓力；（2）滾筒自身重力；（3）滾筒旋轉所產生的慣性力。其中衣物和水對滾筒的壓力就等于衣物旋轉所需的向心力F=mω2r，其中m為衣物加水的質量，ω為滾筒的轉動角速度，r為滾筒半徑。

當衣物在滾筒側壁底部時：∑F=N-G則N=F+G。高速旋轉時F》G，所以N≈F。即滾筒所受的壓力約等于衣物和水的向心力。甩干時衣物和水均勻分布在滾筒內壁，所以滾筒內壁表面受到法向均布壓力。

3.2 滾筒組件靜力學分析

下圖3為通過ANSYS WorkBench進行計算機軟件模擬分析所得到的應力云圖，從圖中可以看出：在滾筒高速旋轉的每一瞬時變形情況，其中應力集中的地方出現在滾筒升舉筋和支架與滾筒連接處。滾筒外殼因為衣物和水的壓力作用都存在一定程度的變形，最大變形出現在滾筒凸肩處，變形值為0.02mm。而最大應力出現在三角支架與滾筒連接處，大小值為8.4MPa。這兩個位置是滾筒在運行過程中發生變形和應力集中位置，結構改進時應當重點予以優化。

圖3 滾筒應力云圖

結束語

本文運用ANSYS WorkBench工具進行了穩態慣性力作用下的靜力分析，仿真得到滾筒旋轉過程中任一時刻的應力和變形，對洗衣機滾筒組件部分的設計改進具有一定的指導意義。

參考文獻

[1]袁越錦.ANSYS Workbench 14.0建模仿真技術及實例詳解[M].北京：化工出版社，2014.

[2]武敏，謝龍漢.ANSYS Workbench有限元分析及仿真[M].北京，電子工業出版社，2014.