家用洗碗機振動噪聲優化設計

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

近年來隨著人民生活水平的提高，家用洗碗機逐步得到普及，振動和噪聲成為用戶關注和選擇家用洗碗機的重要性能指標之一[1]。傳統洗碗機的減振降噪往往依靠大量的實驗進行振動噪聲的研究和產品結構的改進，不僅浪費人力物力，而且研發周期較長。隨著計算機技術的發展，借助數值仿真技術與少量試驗相結合的方法，能夠極大的提高產品的設計效率，節約研發成本，縮短研發周期[2]。為降低某款家用洗碗機的振動和噪聲，提高其市場競爭力，通過試驗與數值仿真相結合的方式，分析某洗碗機結構振動和噪聲的產生源頭，從結構共振和振動噪聲能量傳遞入手，對該洗碗機的內膽和水杯結構進行結構優化，降低洗碗機的振動和噪聲。

2 洗碗機結構和工作原理

某家用洗碗機三維結構，如圖1所示。其工作原理為，水通過入水口進入洗碗機水杯，通過電熱元件對水加熱，然后洗滌泵將水杯中的水抽出，熱水流通過一個或多個噴臂高壓噴出，噴臂在水流的反作用力下旋轉，使水噴到洗碗機內部各個角落，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，沖洗下來的渣子被網格擋住，油漬飄浮在水面上，通過排污口排出。這樣熱水可循環使用，以節約用水和能耗[3]。

圖1 洗碗機三維結構圖Fig.1 Three-Dimensional Structure of Dishwasher

3 樣機振動噪聲測試

3.1 樣機噪聲測試

該洗碗機的降噪目標是將噪音控制在39dB以下，從而使該產品的噪聲達到國際領先水平。依據：《IEC 60704-1：1997家用及類似用途電器發出的氣載噪聲的測試規程—通用要求》和《IEC 60704-2-3：2005家用電器確定空氣噪聲的試驗方法—對洗碗機的特殊要求》，對洗碗機樣機進行噪音測試[4]，測試結果，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，噪音的分貝值達到了52.72dB。為了了解洗碗機哪些結構輻射噪聲，需要測試洗碗機外殼的振動。

圖2 噪聲測試結果Fig.2 Noise Test Results

3.2 樣機振動測試

由于洗碗機箱體外殼和內膽之間有減振隔音裝置，其工作時主要從箱門一側輻射噪聲，因此振動測試主要集中在箱門一側。振動測試位置分布，如圖3所示。

圖3 洗碗機振動測試位置分布Fig.3 Vibration Test Location Distribution of the Dishwasher

樣機在正常洗滌工作狀態下，外殼振動測試結果，如圖4所示。通過外殼的振動測試，發現振源（噪音源）主要來自于洗碗機的下部，并且振動的主要頻率也是100Hz和200Hz左右。從外殼的振動測試結果表明，振動主要來源于下面的電機及泵體。而振動頻率是由于電機轉動而產生的受迫振動還是某些結構發生共振引起的，需要通過對洗碗機進行模態分析確定。通過模態分析可以了解洗碗機部件在某易受影響的頻率范圍內的各階主要模態的特性，從而可以預測結構在此頻段內，在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應[5]。

圖4 振動測試結果Fig.4 Vibration Test Results

4 洗碗機部件模態分析

4.1 洗碗機模態分析材料參數

洗碗機箱體主要結構材料有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 材料力學參數Tab.1 Mechanical Parameter of the Materials

4.2 箱門模態分析

圖5 洗碗機箱門幾何模型Fig.5 Geometric Model of Dishwashers’Doors

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

由于洗碗機箱門是洗碗機向外界輻射噪聲的主要部件之一。因此，研究洗碗機振動噪聲與結構固有頻率的關系，洗碗機箱門是重點需要關注的對象。利用CAE軟件Hyperworks對洗碗機的零部件進行網格劃分、模態分析及結構優化。洗碗機門的幾何模型，如圖5所示。洗碗機內外門為薄板結構，利用Hypermesh劃分網格，然后利用Radioss對洗碗機的內門和外門作模態分析[6]，前十階模態固有頻率，如表2所示。從表2中對洗碗機內門和外門的模態分析結果可以看出，內門薄板結構第1階和第6階模態的固有頻率分別在100Hz和200Hz附近，外門第2、3、4階的模態頻率在100Hz附近。結合前面的試驗結果，振動和噪聲主要集中在100Hz和200Hz附近，說明洗碗機箱門結構固有頻率對洗碗機噪聲有較大的影響。由于洗碗機薄板結構較多，并且在100Hz和200Hz附近有比較多的薄板模態。由于結構表面聲壓和結構表面振動速度成正比[7]，因而對于薄板其模態的振幅與噪音輻射成正比關系，因此可以通過改變這些結構輻射噪音的模態的方式來降低噪音，如：（1）可提高模態頻率減小振幅，或者避免結構共振；（2）減小洗碗機內部激勵源傳到箱門的能量。

4.3 內膽模態分析

洗碗機噪聲主要由電機噪聲、洗滌噪聲、流體噪聲組成，引起洗碗機噪聲的原因比較復雜，通過對內膽進行模態分析，研究噪聲產生的主要原因是否是由于內膽的共振。由于洗碗機結構較為復雜，為便于進行有限元分析，需要對洗碗機結構進行適當的簡化。由于內膽主要為薄板結構，因此內膽采用殼單元進行網格劃分，劃分后單元數為29142，用質量塊簡化托盤、碗欄組件、水杯、電機的質量，內膽與質量塊之間用梁單元連接。洗碗機內膽和有限元模型，如圖6所示。內膽前十階模態分析結果，如表2所示。從表2可以看出，內膽整體各階模態頻率較小，前十階模態頻率最大為52.7Hz較100Hz小很多。因此洗碗機產生較大振動和噪聲的主要原因并不是內膽整體的共振。

圖6 洗碗機內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 內膽底板模態分析

由于電機安裝在內膽底板上，因此需要關注內膽底板的共振頻率。為此，對內膽底板進行模態分析，其前十階模態頻率，如表2所示。由于電機的激勵頻率為100Hz，因此需要關注底板100Hz附近的頻率和模態。從表2可以看出，底板前十階固有頻率中第五階模態的固有頻率114Hz，較接近100Hz。因此，為減小電機激勵對底板共振的影響，需要對底板進行結構優化，可通過添加加強筋的方式增加底板的剛度，從而提高底板第五階模態的固有頻率。

5 洗碗機結構優化設計

5.1 內膽底板結構優化方案

利用Optistruct軟件通過加入加強筋的方式對內膽底板進行結構優化[8]。在優化內膽底板時，需要綜合考慮底板的對稱性和排渣的通暢性。以底板的固有頻率為目標函數，施加對稱約束和方向約束。通過計算得到結構優化的結果，如圖7（a）所示。其中一個表示筋深度10mm，另一個表示0，中間表示（0～10）mm之間。由于這個結果很不規則，只能作為加筋的參考。

圖7 內膽底板結構優化結果Fig.7 Structure Optimization Results of the Tank Bottom

根據上面的加筋思路，結合實際，前面原來小橫筋去掉，加3條縱筋，后面原來寬筋去掉，加2條縱筋，左右各加1條橫筋，寬度均為40mm，深度5mm，優化后內膽底板布局，如圖7（b）所示。底板第五階模態優化前后對比，如圖8所示。優化前模態（左）freq=114Hz、優化后模態（右）freq=128Hz，第五階模態固有頻率增加了14Hz，結構優化后的內膽底板的第5階模態固有頻率顯著增加，能夠有效的避免內膽底板的共振。為了解內膽底板優化后內膽整體的振動響應情況，需要對內膽整體進行諧響應分析。利用RADIOSS軟件對內膽底板優化后的內膽整體進行諧響應分析。內膽在100Hz激勵下優化前后內膽特定位置的振動響應對比曲線，如圖9所示。從內膽整體的諧響應仿真分析結果可以看出，在幾乎所有頻率段優化設計的振動響應都是優于原始設計的。

圖8 內膽底板第5階模態優化結果前后對比Fig.8 Contrast of Before and After the Fifth Order Modal Optimization of the Tank Floor

圖9 優化前后振動響應比較Fig.9 Comparison Between the Vibration Response Before and After Optimization

5.2 優化后樣機噪音測試

圖10 優化后的樣機噪聲測試結果圖Fig.10 Result of Optimization of the Sample Noise Test

根據之前的試驗和仿真分析，通過優化內膽底板結構來避免內膽底板的共振，從而降低洗碗機的振動和噪音。對優化后的洗碗機樣機進行噪音測試，結果，如圖10所示。從圖10的樣機聲功率級曲線可以看出，優化后的樣機噪聲為38.87dB＜39dB，滿足該洗碗機減振降噪的設計要求，這里所采用的洗碗機減振降噪方案是可行的。

6 結論

（1）振源（噪音源）主要來自于洗碗機的下部的電機和水泵，并且振動和噪聲的主要頻率是100Hz和200Hz左右；（2）通過對洗碗機箱門進行模態分析，結果表明箱門結構的固有頻率對洗碗機的噪聲有較大的影響；（3）洗碗機產生較大振動不是由洗碗機內膽整體的共振引起的，而內膽底板的第五階模態為114Hz比較接近100Hz，內膽底板的共振對結構振動和噪聲的影響較大；（4）通過對內膽底板進行結構優化有效提高了內膽底板的第五階模態頻率，避免了內膽底板的共振；（5）通過優化洗碗機內膽底板結構，優化后樣機噪聲為38.87dB，滿足＜39dB的設計要求。

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