基于有限元分析的滾筒洗衣機減震器銷設計方案研究

劉鶴峰 徐銳 王龑 徐杰 鮑益東

1.無錫小天鵝電器有限公司 江蘇無錫 214002；2.南京航空航天大學 江蘇南京 210016

0 引言

在家電制造業中，體現零部件裝配難易度的可制造性評估是一個很重要的生產指標。目前常用的評估方法大多停留在人為經驗判斷的定性分析和通過測量等實驗進行的量化分析。在產品研發初期，量化分析評估產品的可制造性尤為重要，通過有限元分析結合測量實驗進行評估可以有效降低研發成本、縮短研發周期，具有較高的經濟效益[1]。

滾筒洗衣機設計制造時，整機運行的振動噪聲是非常重要的性能指標，直接影響消費者的用戶體驗。當洗衣機高速轉動脫水時，內部衣物的偏心導致桶與箱體的劇烈振動，桶底部通過2～4根減震器與箱體連接，非常容易產生噪聲。其中減震器銷是串聯減震器與箱體的重要零部件，可靠性優秀且成本低廉的設計十分關鍵，可以有效降低低頻噪聲和預防減震器松動導致減震器下部與箱體干涉噪聲[2]。

在減震器銷的設計中，往往將銷孔設計為過盈配合，增加銷孔間的接觸壓力，避免減震器松動，但這會導致減震器銷的裝配力增加[3]，所以在設計中會在減震器銷中增加開口槽，降低工人的裝配難度[4]。然而在實際生產中，由于減震器銷的成型收縮率較高，尤其是開口槽部位，會造成銷孔接觸不穩，影響減震器的性能，所以開口槽的設計至關重要。

本文針對該問題，基于有限元分析進行裝配過程仿真，通過多種結構設計方案的對比，研究設計參數對減震器銷的性能影響[5]。在滿足強度的基礎上，從底座結構有堵高、平均接觸壓力高于現狀5%以上的方案中，選擇裝配力峰值最小的方案，提高減震器銷的性能和可制造性。

1 減震器銷裝配過程仿真

1.1 減震器裝配件的幾何模型

減震器裝配件由減震器、減震器銷、底座組成，如圖1 a)所示。綜合分析各部件的相互作用關系，在不影響仿真分析的計算精度前提下，通過3D設計軟件簡化減震器和底座模型并建立預裝配模型，如圖1 b)所示。減震器銷及底座的結構尺寸如圖2 a)、b)所示，其中減震器銷的卡扣高度為3.0 mm，外徑為12.8 mm，開口槽寬為2.0 mm。

圖1 減震器裝配件

圖2 減震器銷及底座的結構尺寸

1.2 有限元模型的建立

由于減震器銷裝配過程屬于過盈裝配，是一種典型的材料非線性、幾何非線性和接觸非線性三重非線性問題，本文采用Abaqus2020中Standard隱式分析模塊進行減震器銷的裝配過程仿真分析[6]。

（1）材料參數設置

減震器裝配件有多個零件構成，其中底座的材料選用熱浸鋅鋼板（SGCC），彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.47，密度為7.87 g/cm3；減震器銷的材料選用尼龍66（PA66），彈性模量為3100 MPa，泊松比為0.3，密度為1.14 g/cm3，屈服應力為58 MPa；減震器材料選用熱塑性硫化橡膠（TPV），采用Mooney-Rivlin模型[7]：

其中：U為彈性應變能，C10、C01、D1是橡膠與溫度相關的材料參數，分別取0.622、0.152、0，為第一、第二應變偏量不變量，J為體積變化率。

（2）邊界條件設置

減震器銷裝配過程有限元模型的邊界條件根據實際的減震器銷裝配過程設置，底座和減震器固定，底座下端面和減震器上端面采用完全固定約束（約束BC-1、BC-2）。減震器銷水平單向運動，其端面的約束BC-3，U1、U2、UR1、UR2、UR3設置為0，U3方向施加相應的裝配位移50 mm，如圖3所示。

圖3 邊界條件約束設置

（3）網格類型設置

在有限元分析中，網格類型和尺寸直接影響計算精度和計算效率，尤其是在復雜接觸問題中。本文根據部件幾何形狀和裝配過程中接觸關系進行網格劃分，進行網格收斂性驗證設計。

減震器銷網格類型選擇：

由于在接觸分析模擬中，從面模型部分一般選擇使用一階單元；另外Abaqus/Standard的內部接觸算法，會出現二階單元可能發生無法確定從面節點上力的情況。本文減震器銷在接觸中都屬于從面，所以選擇一階單元C3D4。

底座網格類型選擇：

底座在接觸中都屬于主面，形狀比較規則，為提高計算效率，選用六面體網格。C3D8R在彎曲荷載下不易發生剪切自鎖現象，對位移的求解結果比較精確，網格存在扭曲變形時，分析的精度不會受到太大的影響?；谝陨蟽烖c，本文底座選擇六面體線性縮減積分單元C3D8R。

減震器網格類型選擇：

固體橡膠材料具有非常小的可壓縮性，此時單元中的壓應力是不確定的，因此減震器選用雜交單元（H族）C3D4H[8]。

（4）單元網格尺寸收斂性驗證

在選定網格類型的基礎上，設計了6種不同網格尺寸的方案，研究不同網格尺寸的計算時間、接觸壓力、裝配力曲線的差異。計算時間體現了仿真的計算效率，接觸壓力體現了過盈裝配后的預緊程度，裝配力曲線體現了零件的裝配難易度。

不同網格尺寸的計算時間如表1所示。

表1 不同網格尺寸的計算時間

在裝配過程仿真分析中，為了更好量化分析、對比不同方案的緊固性能，即接觸壓力，將裝配完成后的減震器銷與底座和減震器的接觸部位劃分為A、B、C三段，如圖4所示，分別輸出各段的平均接觸壓力。

圖4 接觸壓力分析區域示意

不同網格尺寸的接觸壓力如表2所示。

表2 不同網格尺寸的接觸壓力

不同網格尺寸的位移-裝配力曲線如圖5所示。

圖5 不同網格尺寸的位移-裝配力

位移-裝配力曲線不同階段說明（下述為減震器銷在圖2 a)中的A卡扣、B端角）：

A-1上升段：A卡扣與底座左圓孔接觸，這個階段以A卡扣的變形為主；

B-1上升段：B端角與底座左圓孔接觸，這個階段以B端角的變形為主；

C-1平穩段：A卡扣、B端角都處于減震器圓孔區域，這個階段A、B兩處變形基本沒有變化，所以裝配力曲線趨于穩定；

A-2上升段：A卡扣與底座右圓孔接觸，這個階段以A卡扣的變形為主；

B-2上升段：B端角與底座右圓孔接觸，這個階段以B端角的變形為主。

由于A-1、A-2都是以A卡扣的變形為主，B-1、B-2都是以B端角的變形為主，所以上述各自兩段裝配力曲線變化趨勢相同。通過減少B端角的變形，就可以降低整個裝配過程中的最大值。

計算時間越快，越有利于大量對比實驗結果的獲取。雖然網格尺寸五、六計算時間小于1 h，但網格尺寸六的裝配力曲線與其他差異較大，網格尺寸五、六在B段的接觸壓力與其他差異較大，這兩個方案排除。剩余4個方案的接觸壓力、裝配力差異較小，優選計算時間最快的網格尺寸四。

故本文中該類型結構進行網格劃分時，減震器銷的主要網格尺寸為1.0 mm，減震器的主要網格尺寸為0.8 mm，底板的主要網格尺寸為1.5 mm。在此基礎上，對關鍵部位的網格進行局部加密，生成網格如圖6 a)、b)所示，單元數量為156705，節點數為39979。

圖6 減震器銷裝配過程的有限元模型

1.3 仿真精度可靠性驗證

對初始設計方案的量產零件進行裝配力測試，與仿真結果進行對比，提高下一步的設計參數優選工作的可靠性[9]。隨機抽取量產減震器銷15個，進行裝配力實測，數據如表3所示（直徑1為底座內孔徑，直徑2為減震器銷外徑，縫隙為開口槽寬度），峰值裝配力的均值為230.8 N。

表3 量產零件裝配力實測

以量產實測各參數的均值進行仿真模擬，其中卡扣高3 mm，底板直徑11.9 mm，減震器銷外徑12.8 mm，開口槽寬2.5 mm。按1.2節中的結論，進行材料參數、邊界條件、網格類型、網格尺寸的設置。仿真結果裝配力曲線如圖7所示，峰值裝配力為218.5 N，與量產零件實測峰值裝配力的均值誤差為5.3%，體現較好的仿真精度。故該參數設置及分析方法在下文優化設計方案仿真的準確性，有一定的可靠性依據。

圖7 仿真裝配力曲線

2 設計分析方案

通過結構優化、材料改善、接觸改善等方式，都可以降低裝配力曲線的峰值，使實際裝配的可制造性更好。但改善材料的成本高、周期長，因企業以追求更好盈利為目的，該方法的優先級較低。改善接觸主要是通過接觸表面潤滑，減少摩擦力，降低裝配力。故本文通過研究不同結構下的裝配力并進行方案優選，主要原則為：在不降低強度的基礎上，優選接觸壓力更大、裝配力峰值更小的結構方案。

卡扣高過大，影響裝配力、應力，但防倒退能力變高；在減震器銷的底段增加堵高，如表4中堵高結構圖所示，模具成型的流動性更好，收縮變小，但裝配力變大；開口槽過大，裝配力變小，但裝配后的接觸壓力變小，容易松動；外徑過大，接觸壓力變大，但裝配力也隨之變大[10]。

基于以上分析，在壁厚不變的前提下，改變卡扣高、堵高、開口槽、外徑4個變量（如表4所示），進行結構優選仿真實驗（仿真實驗參數設置都基于本文第一部分的結論），其中P0為初始設計方案，P1～P9為優選設計方案。

表4 九種設計方案

3 減震器銷結構參數影響分析

3.1 平均接觸壓力分析

由于B處是橡膠件與塑料件的接觸，本文仿真結果中的4個參數的變化對B處的接觸壓力值影響很小，可忽略不計。主要研究參數對A、C處接觸壓力的影響，具體接觸壓力值如表5所示（位移X=48.5 mm）。

表5 不同方案的接觸壓力（位移X=48.5 mm）

P2的接觸壓力明顯小于其他方案，P3的接觸壓力明顯大于其他方案，可知開口槽寬度與減震器銷外徑是影響接觸壓力的最關鍵參數。對比其他方案，可知堵高對A段的接觸壓力影響較大。

3.2 裝配力分析

（1）對比P3與其他方案

P3外徑為13.0 mm，其他方案為12.8 mm，可得出結論：減震器銷的外徑越大，裝配力越大，與工程經驗相符。

（2）對比P2與其他方案

P2縫隙為2.4 mm，其他方案為2.0 mm，可得出結論：縫隙越大，裝配力越小，與工程經驗相符。

（3）對比P0、P1與P2～P9

堵高會增加裝配力，堵高值越大，裝配力峰值越大；位移在0～45 mm內，堵高對裝配力幾乎無影響，裝配力增大主要體現在45～50 mm范圍內，如圖8所示。

圖8 不同方案的裝配力變化曲線

當減震器銷的位移量X=46.5 mm時，卡扣彈出完成安裝，故X在46.5～50 mm之間，都是處于完成安裝的狀態。本文抽取47.0 mm、48.5 mm、49.0 mm、50.0 mm共4個位置，觀測裝配力值，具體數據如表6所示。

表6 關鍵位移處的裝配力值

P3在4個位移處的裝配力都明顯高于其他方案，說明外徑是影響裝配力的第一關鍵參數。除P3以外的其他方案，0～47 mm位移內，裝配力差異較小，說明這段位移內，堵高對裝配力影響較?。?8.5～50.0 mm位移范圍內，裝配力隨堵高增加，有明顯增大，說明堵高在后程對裝配力影響較大。

4 方案優選

在初始設計方案中，開口槽的寬度為2 mm、無堵高，由于在生產中減震器銷收縮率高，導致開口槽寬度增加26.5%，具體尺寸如表3所示，接觸壓力相應降低。從底座結構有堵高、平均接觸壓力高于現狀5%以上的方案（P3、P4、P5）中，選擇裝配力峰值最小的方案，所以優選P5：在減震器銷的底座增加4 mm的堵高，模具成型的流動性更好，收縮變小，裝配完成的中值48.5 mm處的裝配力331.73 N，相比于初始設計方案提高41.3%，但接觸壓力得到了有效提高?；谝陨戏治觯瑢ΜF有產品進行變更，變更后的實物如圖9所示。

圖9 變更后的減震器銷實物

5 結論

本文以滾筒洗衣機中減震器銷的裝配為例，將有限元方法應用于零件裝配過程仿真，提供安裝時的裝配力變化曲線，對可制造性進行量化分析。

（1）針對本文特殊的應用情況，進行包括建立幾何模型、前處理（材料設置、邊界條件設置、收斂性設置、網格類型設置）等設置，重點驗證網格尺寸收斂性。綜合考慮接觸壓力、裝配力計算精度（相對誤差<5%）和計算時間效率，優選網格尺寸為尺寸四（銷1.0 mm、減震器0.8 mm、底板1.5 mm）。

（2）以成本低、周期短的結構優化為主要改善方向，卡扣高、堵高、開口槽、外徑4個變量為主要優化參數，在滿足性能要求的基礎上，降低裝配力曲線的峰值，達到更好裝配的目的。通過仿真分析結合實驗驗證，最終優選為卡扣高4.0 mm、堵高4.0 mm、開口槽2.0 mm、外徑12.8 mm的方案，并進行零件實物變更驗證成功。