基于MSC Adams的滾筒洗衣機動態(tài)特性建模與仿真

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文以MSC.Adams為基礎(chǔ)建立了滾筒洗衣機的剛?cè)峄旌咸摂M樣機模型,模型中箱體利用MSC.Patran/Nastran做柔性體處理,并通過模態(tài)試驗來驗證有限元模型,其余部件為剛性體。在此基礎(chǔ)上進行滾筒洗衣機的動力學(xué)仿真分析。

引言
自動洗衣機是現(xiàn)代家庭中常用的家用電器之一。滾筒洗衣機也叫做前裝式或水平軸洗衣機,在歐洲家庭中使用較多。近年來,滾筒式洗衣機以其節(jié)水、容量大、洗滌均勻、磨損率低以及自動化程度高等優(yōu)點被越來越多的中國家庭所接受。滾筒洗衣機因其結(jié)構(gòu)先天存在的偏心而產(chǎn)生很多振動問題,振動的激勵源來自系統(tǒng)內(nèi)部,存在變載、大變形、大偏心,系統(tǒng)通過彈性連接與外殼相連接,具有多個自由度,呈現(xiàn)復(fù)雜的運動狀態(tài)。這種復(fù)雜的動力學(xué)問題而很難進行精確的數(shù)值計算。MSC.Adams是優(yōu)秀的機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件。本文使用MSC.Patran/Nastran軟件建立滾筒洗衣機箱體的柔性體模型,使用Pro/E建立其余剛性體模型,裝配后倒入導(dǎo)虛擬樣機軟件ADAMS中,建立了滾筒洗衣機剛?cè)峄旌隙囿w系統(tǒng)動力學(xué)模型。其流程如圖1:

圖1 建模流程圖

1 柔性體建模
考慮滾筒洗衣機箱體的剛度最小,選其作柔化處理。在MSC.Partran中使用二維Shell單元建立箱體的有限元模型,如圖2所示。建立的有限元模型的包含節(jié)點10173個,shell單元9885個,MPC 8個。首先保證建立的有限元模型于實際物理模型質(zhì)量統(tǒng)一,經(jīng)測量有限元模型質(zhì)量為10.43kg,測得實際物理模型質(zhì)量10.5kg,相對誤差為0.67%。
在需要其他部件用RBE2建立MPC。將建好的有限元模型提交MSC.Nastran生成MNF(Modal Neutral File)文件,即模態(tài)中性文件,以及*.op2、*.out文件,然后在MSC.Adams中讀入。
通過箱體物理模型的模態(tài)試驗來驗證有限元模型,前四階頻率對照如表1所示。去除邊界條件等因素影響,可以看出有限元模型與實際模型在模態(tài)頻率上基本一致。

圖2 洗衣機箱體有限元模型
表1 模態(tài)測試與有限元模型模態(tài)計算結(jié)果前四階的頻率對照表

2 剛性體建模
滾筒洗衣機中其他部件在運動過程中剛性很大,變形可忽略不計,做剛形體處理,為了保證部件物理參數(shù)符合實際情況,使用Pro/E建立洗衣機的內(nèi)桶、外桶、配重及電機,裝配后使用接口軟件Mech/Pro將裝配好的模型導(dǎo)入到MSC.Adams中。
將箱體的柔性體模型及其余剛性體在ADAMS中裝配好,按照其相互之間的連接關(guān)系定義約束,為了研究洗衣機在脫水工況下的行走特性,將洗衣機按照正常使用的情形以四個底腳放置于地面上,得到滾筒洗衣機的虛擬樣機模型,如圖3所示。洗衣機模型內(nèi)部主要的未約束自由度數(shù)為4個,分別為滾筒在X-Y平面內(nèi)的平動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動,以及洗衣機內(nèi)桶在繞自身水平軸的轉(zhuǎn)動。其中內(nèi)桶的轉(zhuǎn)動自由度通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動約束,實際模型自由度數(shù)為3。
3 柔性連接部件建模
滾筒洗衣機滾筒部分的重量完全由上面兩個拉伸彈簧承擔(dān),實驗測得彈簧的剛度系數(shù)K=4851.5Newton/Meter。下面的兩個阻尼器的作用一個是定位,限制滾筒在x-z平面內(nèi),另一個主要作用是減振,也是整個模型最重要的部分之一。阻尼器模型如圖4所示。

圖3 滾筒洗衣機的虛擬樣機模型圖4 阻尼器的ADAMS模型結(jié)構(gòu)

4.仿真結(jié)果
4.1 配重質(zhì)量為
滾筒中配重的質(zhì)量為零,內(nèi)桶的轉(zhuǎn)動角速度為666轉(zhuǎn)/分。

圖5 內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)角速度圖圖6 地腳1在X方向位移時域曲線

4.2 配重質(zhì)量為300g
滾筒中配重的質(zhì)量為300g,內(nèi)桶的轉(zhuǎn)動角速度一次升高到最大脫水轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分。

圖7 內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)角速度圖圖8 地腳1在X方向位移時域曲線

4.3 配重質(zhì)量為300g
滾筒中配重的質(zhì)量為300g,內(nèi)桶的轉(zhuǎn)動角速度兩次升高到最大脫水轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分。

圖9 內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)角速度圖圖10 地腳1在X方向位移時域曲線

5 結(jié)果分析與結(jié)論
使用配重模擬洗衣機內(nèi)部的衣物,作為集中質(zhì)量處理。洗衣機四個地腳的位移大致相同,以腳1為例。當(dāng)配重質(zhì)量為0時,洗衣機空轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速在5秒內(nèi)從零升高到666轉(zhuǎn)/秒,地腳在X方向上的位移在速度恒定后穩(wěn)定在初始位置附近,說明此模型能夠正確反映洗衣機的動力學(xué)特性。如圖5、6所示。當(dāng)配重質(zhì)量增加到300g時,讓內(nèi)桶轉(zhuǎn)速在5秒內(nèi)一次性從零升高到最大脫水轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/秒,此過程中配重的質(zhì)量按照衣物的脫水速率逐漸減少,發(fā)現(xiàn)箱體會有一個大位移響應(yīng)現(xiàn)象出現(xiàn),從而導(dǎo)致地腳位移突變。如圖7、8所示。為消除共振,減小地腳位移,改變內(nèi)桶角速度的控制策略,分兩次階段性增加,如圖9、10所示。可以看到明顯抑制了地腳位移突變現(xiàn)象。
通過仿真分析可以得到內(nèi)桶轉(zhuǎn)速控制方式與滾筒洗衣機行走特性的關(guān)系,并驗證了所建立模型的正確性,可以在此模型基礎(chǔ)上進一步研究滾筒洗衣機的各種動力學(xué)特性。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才