洗衣机振动过程的计算机模拟研究
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洗衣机振动过程的计算机模拟研究Ξ郑 毅 赵国群 孙 胜(山东大学(南区)模具工程技术研究中心 济南,250061)摘要 采用计算机模拟方法,以洗衣机工作过程的振动为例,研究了弹性固定机构的振动规律。
提出利用动力学有限元技术研究振动的方法——实时仿真分析技术(real ti m e si m ulati on R T S )。
本文模拟洗衣机的振动过程,是有限元技术首次应用于非线性系统振动过程实时仿真的分析。
该方法以机械结构的整体模型为分析对象,对结构的振动原因与振动形式综合考虑,获得的分析数据接近系统的实际运行状态。
利用模拟分析可以研究激励、结构等因素对振动过程的影响。
研究表明该方法是一种有效的辅助设计方法。
关键词 有限元 振动 仿真 洗衣机中图分类号 TH 11 O 24.3 T P 39.21引 言滚筒式洗衣机在运行过程中由于衣物的不平衡分布,会使洗涤筒受到变载荷与变方向惯性力激励的作用,这种激励可以引起整机的剧烈振动。
整机的振动不仅产生很大的噪音,而且对洗衣机机械与电器部件的寿命产生影响,因此,控制振动是非常必要的。
洗衣机的整机振动是一种复杂的非线性振动。
由于洗衣机的结构特点,在整体的内部有各种各样的部件,这些部件有的构成振源,有的对振动起传递与放大的作用。
由于实现洗衣功能必须采用这样的设计,所以洗衣机在工作过程中的振动不可避免。
由于性能与成本的要求,在设计中又不能采用太复杂的减振机构,于是洗衣机的结构优化是减振设计的重要手段。
本文采用一种计算机系统集成的分析方法,来实现结构振动过程的仿真分析。
洗衣机的振动过程代表了一类工程问题,这一类问题的共同点是,振动的激励源来自系统的结构内部,各个部分通过弹性连接组成运动系统。
这样的机构具有多个独立的运动自由度,所以会出现非常复杂的运动状态。
由于这种结构形式的广泛采用,比如仪器仪表、传动机构、汽车、飞行器等大量军事与民用设备,所以研究存在弹性连接部件的结构的运动稳定性与振动力学性能具有普遍的理论意义与应用价值[1]。
为了设计制造出在任何环境与工作状态下都能够稳定运行的机构与设备,必须在设计阶段,就充分考虑结构的减振与隔振能力。
本文的目的就是,提出一种可以应用于设计开发阶段的模拟方法,用于实现机构的减振与隔振设计优化。
本文提出的R T S 方法可以模拟普通运动过程。
在洗衣机振动研究中能够对可能形成的振动进行预测,从而实现设计方案的优化。
本文的研究扩展了有限元方法处理问题的领域,使之第21卷第3期2001年9月 振动、测试与诊断Jou rnal of V ib rati on,M easu rem en t &D iagno sis V o l .21N o.3Sep.2001Ξ在机构运动动力学过程分析中得到更广泛的应用。
1 基于有限元分析的R T S 方法有限元方法是一种广泛应用的工程分析方法,能够处理大量的工程问题。
由于计算量与建模方面存在的困难,在动力学问题中应用较少。
本文综合利用三个大型的工程软件(U G ,FE M B ,D YNA 3D ),基本解决了这些技术上的困难,实现了利用有限元方法对机构的真实运动过程进行分析。
图1是工程问题的具体分析过程。
本文首次提出的R T S 方法是一种实时的瞬态过程分析技术,基本原理是通过计算机数值模拟代替样机测试实验。
在设计阶段发现设计方案的不足。
改进设计之后,再进行计算机实验,重复这一过程,直到设计方案满足性能要求为止。
这种技术的应用可以提高设计水平与设计效率。
针对洗衣机具体的振动问题,R T S 方法分析影响洗衣机运动稳定性的相关因素,通过多种方法的比较,获得优化的设计方案。
本文针对滚筒式洗衣机的振动原理,建立简化的运动机构模型,然后通过施加一定的边界条件与运动约束进行洗衣机实际工作过程的仿真研究。
图1 洗衣机振动优化分析流程图2 分析模型的建立由于洗衣机的结构是弹性悬挂系统,而且连接状态复杂,对激励的响应形式也不确定,所以利用传统的频率模态分析方法无法获得机构的准确运动参数,而且对于这样的结构,固有频291振 动、测 试 与 诊 断 第21卷率不是一个固定的数值,而是一个范围。
对于这样的复杂运动形式,利用模态分析方法与质量弹簧简化形式无法获得与实际问题符合的分析模型[2],而且一些过程不能够进行定量化处理与数值化处理,而利用仿真的方法可以得到比较合理与实用的分析结果。
在洗衣机的工作过程中,由于衣物在洗衣筒中的不均匀分布,导致洗衣机的悬挂系统承受变化复杂的离心力的激励,这一不平衡的离心力激励可以引起洗衣机整机的剧烈振动。
由于洗衣机的结构与功能特性,振动现象的出现是不可避免的。
各个制造洗衣机的企业以及从事力学与振动研究的机构都对这一问题进行过研究,但是就目前已掌握的情况来看,没有获得突破性的研究成果。
为此,本文试图用非线性有限元动力学的方法,来离散整个系统,从而解除系统的运动复杂性与非线性。
根据洗衣机的工作原理,建立模拟分析的运动模型,为了简化处理过程,只建立主要结构的几何模型,建立如图所示的框架结构与内部的回转机构,利用线性弹簧将两部分结构连接起来,在回转机构的中心施加两个在与轴线垂直的平面内相互正交的按正弦规律变化的集中力载荷。
a b c图2 洗衣机结构模型的有限元网格划分结果图2是本文根据滚筒式洗衣机的工作原理建立的有限元分析模型的不同角度的视图。
图2(a )是模型的着色图,图2(b )和图2(c )是模型的网格图。
在有限元模型中利用一个由SH ELL 单元构成的C 型框架代替洗衣机的机身,中间存在一个圆环和一个圆柱,圆环与圆柱可以自由旋转,利用可以相对转动的圆环与圆柱的组合代替洗衣机内部的工作部件,包括电动机、传动机构。
在洗衣机中主要的振动激励是由于洗涤筒在运行过程中产生了离心力,洗涤筒与机身之间通过弹簧进行连接。
框架部分是4个自由的端点,利用SPC (single po in t con strain )约束限制三个方向的平动自由度。
3 模拟分析结果利用L S 2D YNA 3D 软件包,进行有限元模型的数值求解。
采用显示积分算法,时间积分步长为0.0001s ,本文计算了0.2s 的系统响应状态。
计算结果利用ETA 的FE M B 软件显示。
391第3期 郑 毅等:洗衣机振动过程的计算机模拟研究模拟运动过程中的离心力的方法有两种方案,第一种是在圆柱的几何中心,施加一个正弦变化的时变载荷;另一种是在圆柱的母线上任意一点,附加一个质量单元,然后令圆柱以中心线为轴转动。
通过有限元分析计算,自动地在与圆环的接触表面上产生离心力的作用反力,这个反作用力通过起连接作用的弹簧,传递到机身上,这个力导致洗衣机整机的振动。
本文的计算利用第一种激励形式,分析了10个正弦周期的振动情况。
图3表示了采样结点的位置,图4是机身的网格模型振动的状态图,分别是第4个与第8个正弦周期结束时候的振动状态图。
为了观察上的方便,在绘制变形图的时候,将位移的数值扩大到1000倍。
图3 跟踪分析结点的位置图4 两个时刻机身模型的振动状态图5是机身侧面结点在X ,Y 轴方向位移分量随时间的变化规律,图6是机身的顶端结点在Y ,Z 方向随时间的振动规律。
利用有限元分析振动过程,可以通过观察各个结点的位移,获得反映整个机构的振动状态数据。
R T S 的分析结果,显示了洗衣机任意部位三个方向的振动位移,图5(a )和图6(a )分别是机箱顶部与侧壁的法向振动,是洗衣机机身的主要振动;图5(b )和图6(b )分别是切向的振动,不是影响机构性能的主要参数。
(a )节点1853,1911,1922在X 方向的位移(b )节点1853,1911,1922在Y 方向的位移图5 机身侧面结点在X ,Y 轴方向位移分量随时间的变化规律R T S 方法直接解决实际问题,分析结果可以表示一定形式的结构是否可以在一定的响应之下具有良好的减振与抗振性能。
另外可以通过计算机中的模型调整来分析怎样的结构具有最佳的抗振性能。
计算机模拟的方法可以节省对物理样机进行测试来分析结构的振动性能的491振 动、测 试 与 诊 断 第21卷(a )节点1604,1686,1740在Y 方向的位移(b )节点1604,1686,1740在Z 方向的位移图6 机身顶端结点在Y ,Z 方向随时间的振动规律巨大成本,是一种具有极大应用价值的研究方法。
4 结 论本文提出了利用有限元技术分析复杂非线性系统振动的研究方法——实时仿真分析技术,并利用该方法分析了滚筒式洗衣机在工作过程中的振动情况。
在洗衣机设计的过程中应用仿真分析方法,通过改变弹簧的刚度与安装位置以及模型的其他参数,可以获得洗衣机模型在工作过程中任意边界条件与初始条件下的工作状态数据。
研究结果表明该方法能够对复杂的运动机构进行仿真分析。
本文所提出的方法在机构设计与工作性能分析之间建立了联系。
利用R T S 方法分析不同的模型,比较不同的结构参数对机构性能的影响,与其他的振动研究方法比较,R T S 方法可以方便地调节分析模型与控制参数。
在未制造样机之前,根据仿真的分析结果改进结构设计方案,选择最合理的设计参数,实现结构设计的优化。
参 考 文 献1 W eaver W J r ,T i m o shenko S ,Young D H .V ibrati on p roblem s in engineering .5th Editi on .N ew Yo rk :John W iley &Sona ,Inc .19902 季文美,方 同,陈松淇著.机械振动.北京:科学技术出版社,1985第一作者简介:郑 毅 男,1974年11月生,博士研究生。
现主要从事工程数值分析的研究,包括多体系统运动稳定性金属成形过程的数值模拟、模具形状优化设计、快速原型制造、反求工程等方面。
591第3期 郑 毅等:洗衣机振动过程的计算机模拟研究622Journal of V ibrati on,M easurem ent&D iagno sis V o l.21on u ltrason ic vib rati on of its feeding tube,th is pap er illu strates the structu re and operating p rinci p le of the u ltrason ic pow der2feeding device.T h is k ind of device po ssesses the tri p le advan tage of being si m p le,easy to con tro l and su itab le fo r p recisely feeding a s m all quan tity of pow ders.T he device m ay be classified in to several types acco rding to the m odes of vib rati on of its tube.In the pap er,the p resen t situati on and app licati on p ro spects of the device are also analyzed.A t the end of the pap er,the essen tial p rob lem s fo r so lu ti on and the directi on of studies are po in ted ou t.Ke yw o rds p iezoeletric ceram ics u ltrason ic vib rati on p rogressive w ave pow der feeding Com puter Si m ula tion to the V ibra tion Process of a W a sh i ng M ach i neZ heng Y i Z hao Guoqun S un S heng(M o ld&D ie T echno logy Engineering and R esearch Center,Shandong U niversity J i’nan,250061)A bs tra c t A real ti m e com p u ter si m u lati on(R T S)based on the fin ite elem en t m ethod to the vib rati on of a w ash ing m ach ine,w h ich is m odeled as a sp ring2jo ined structu re w ith random excitati on s is p resen ted in the paper.In th is w o rk,a com pu ter p rogram L S2D YNA3D is u sed as a fin ite elem en t so lver.Si m u lati on resu lts show that the R T S m ethod p ropo sed in th is p ap er is su itab le fo r structu re op ti m um design due to its ease in m odifying the analytical m odel and related p aram eters.Ke yw o rds fin ite elem en t m o thod vib rati on si m u lati on w ash ing m ach ineAn Ana lytic Approach to the Iden tif ica tion of Com ponen t Stiffnessi n a Fram e by Usi ng L oca l V ibra tion M ea surem en tL i Guoqiang L ou Guobiao(D epartm ent of Building Structural Engineering,Tongji U niversity Shanghai,200092)A bs tra c t In view of the fact that it is qu ite difficu lt to accu ratly iden tify the com ponen t p hysical p aram eters of a structu re by its global dgnam ic respon se.A m ethod is p resen ted in the p aper fo r iden tifying the com ponen t p aram eters by loal excitati on s,i.e.to excite the structu re locally,and ex tract the natu ral frequencies of the com ponen t from its respon se, and then to iden tify its physical param eters from the frequencies by an analytical app roach. T ak ing a fram e structu re as an exam p le in the p ap er,the co lum n s and beam s in the structu re are idearized as a un ifo r m beam w ith ro tati onal sp ring restrain s at its bo th ends.T he。
