基于MSC Adams的滾筒洗衣機(jī)動(dòng)態(tài)特性建模與仿真

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

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

引言
自動(dòng)洗衣機(jī)是現(xiàn)代家庭中常用的家用電器之一。滾筒洗衣機(jī)也叫做前裝式或水平軸洗衣機(jī),在歐洲家庭中使用較多。近年來(lái),滾筒式洗衣機(jī)以其節(jié)水、容量大、洗滌均勻、磨損率低以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多的中國(guó)家庭所接受。滾筒洗衣機(jī)因其結(jié)構(gòu)先天存在的偏心而產(chǎn)生很多振動(dòng)問(wèn)題,振動(dòng)的激勵(lì)源來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部,存在變載、大變形、大偏心,系統(tǒng)通過(guò)彈性連接與外殼相連接,具有多個(gè)自由度,呈現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題而很難進(jìn)行精確的數(shù)值計(jì)算。MSC.Adams是優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件。本文使用MSC.Patran/Nastran軟件建立滾筒洗衣機(jī)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(jī)軟件ADAMS中,建立了滾筒洗衣機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w系統(tǒng)動(dòng)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(jī)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(diǎn)10173個(gè),shell單元9885個(gè),MPC 8個(gè)。首先保證建立的有限元模型于實(shí)際物理模型質(zhì)量統(tǒng)一,經(jīng)測(cè)量有限元模型質(zhì)量為10.43kg,測(cè)得實(shí)際物理模型質(zhì)量10.5kg,相對(duì)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(guò)箱體物理模型的模態(tài)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證有限元模型,前四階頻率對(duì)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(shí)際模型在模態(tài)頻率上基本一致。

圖2 洗衣機(jī)箱體有限元模型
表1 模態(tài)測(cè)試與有限元模型模態(tài)計(jì)算結(jié)果前四階的頻率對(duì)照表

2 剛性體建模
滾筒洗衣機(jī)中其他部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中剛性很大,變形可忽略不計(jì),做剛形體處理,為了保證部件物理參數(shù)符合實(shí)際情況,使用Pro/E建立洗衣機(jī)的內(nèi)桶、外桶、配重及電機(jī),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(jī)在脫水工況下的行走特性,將洗衣機(jī)按照正常使用的情形以四個(gè)底腳放置于地面上,得到滾筒洗衣機(jī)的虛擬樣機(jī)模型,如圖3所示。洗衣機(jī)模型內(nèi)部主要的未約束自由度數(shù)為4個(gè),分別為滾筒在X-Y平面內(nèi)的平動(dòng)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng),以及洗衣機(jī)內(nèi)桶在繞自身水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。其中內(nèi)桶的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)約束,實(shí)際模型自由度數(shù)為3。
3 柔性連接部件建模
滾筒洗衣機(jī)滾筒部分的重量完全由上面兩個(gè)拉伸彈簧承擔(dān),實(shí)驗(yàn)測(cè)得彈簧的剛度系數(shù)K=4851.5Newton/Meter。下面的兩個(gè)阻尼器的作用一個(gè)是定位,限制滾筒在x-z平面內(nèi),另一個(gè)主要作用是減振,也是整個(gè)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(jī)的虛擬樣機(jī)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)域曲線

5 結(jié)果分析與結(jié)論
使用配重模擬洗衣機(jī)內(nèi)部的衣物,作為集中質(zhì)量處理。洗衣機(jī)四個(gè)地腳的位移大致相同,以腳1為例。當(dāng)配重質(zhì)量為0時(shí),洗衣機(jī)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(shuō)明此模型能夠正確反映洗衣機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。如圖5、6所示。當(dāng)配重質(zhì)量增加到300g時(shí),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(guò)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(huì)有一個(gè)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?？梢钥吹矫黠@抑制了地腳位移突變現(xiàn)象。
通過(guò)仿真分析可以得到內(nèi)桶轉(zhuǎn)速控制方式與滾筒洗衣機(jī)行走特性的關(guān)系,并驗(yàn)證了所建立模型的正確性,可以在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究滾筒洗衣機(jī)的各種動(dòng)力學(xué)特性。

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