滾桶洗衣機外桶結(jié)構(gòu)仿真

田亞明 鮑 敏 張魁倉

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

滾桶洗衣機由于對衣服的磨損很少,對真絲、羊毛等比較貴重適合機洗的衣服是更是需要選用滾筒洗衣機這種洗衣方式。衣服洗好后不會出現(xiàn)超繞等情況,對衣服的保護比較好。越來越受到人們的青睞。2021年，中國洗衣機市場整體零售量達3 827萬臺，已基本恢復至疫情前水平，零售額規(guī)模更是達到歷史新高的735億元。分品類看，滾筒產(chǎn)品成為2021年洗衣機雙線市場的增長核心動力，滾筒單洗和洗烘一體的零售額分別同比增長24.2 %和32.1 %。線下市場中則是滾筒單洗表現(xiàn)更為突出，零售額同比增長8.8 %，高于其他各品類。

而使用過程中的噪聲卻成為消費者主要的報怨點和投訴點，給洗衣機生產(chǎn)廠家提出了越來越高的要求，洗衣機的設(shè)計也面臨越來越大的挑戰(zhàn)。

由于滾桶洗衣機的結(jié)構(gòu)特點，在洗衣機運行過程中，桶內(nèi)衣物由于重力作用都集中在桶體一側(cè)，在內(nèi)桶轉(zhuǎn)動時重量分布不均衡使得內(nèi)桶在轉(zhuǎn)運過程中帶著較大的偏心力，導致轉(zhuǎn)運時擺動過大，成為主要的噪聲源，尤其在內(nèi)桶轉(zhuǎn)動啟動階段表現(xiàn)得更加突出。因此通過優(yōu)化設(shè)計減少洗衣機內(nèi)桶在偏心轉(zhuǎn)動時的撓度成為降低異常噪聲的重要手段。

在優(yōu)化設(shè)計的過程中，需要一次次的改進方案，如果每次優(yōu)化都通過試驗驗證，不僅要耗費大量的樣機費用，而且制作零件、制作樣機、試驗驗證等過程也要花費大量的時間，而且試驗往往只能得到最終的結(jié)果，不能全程跟蹤整個試驗過程，無法詳細了解每個零部件的變形及失效機理，很難找到正確的優(yōu)化設(shè)計方向。

針對以上問題，本文以某型號滾桶洗衣機為例，提供一種方法，利用CAE仿真軟件，對洗衣機外桶進行結(jié)構(gòu)強度仿真分析，求出洗衣機在偏心轉(zhuǎn)動過程中內(nèi)桶的最大撓度，可以較快地對設(shè)計方案進行評估。

1 洗衣機結(jié)構(gòu)仿真

1.1 洗衣機整體結(jié)構(gòu)

以某型號洗衣機為例，如圖1所示，外桶與外殼支架通過螺栓固定到一起，洗衣機內(nèi)桶與外桶通過軸承連接，依靠外桶的軸套對軸承的夾持力保證內(nèi)桶轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性。因此滾桶洗衣機外桶的整體結(jié)構(gòu)強度成為保證內(nèi)桶轉(zhuǎn)動過程中的撓度的關(guān)鍵因素。

洗衣機外桶主體為增強聚丙烯材質(zhì)，為了提升耐久性和穩(wěn)定性，與軸承配合部分的軸承座為鑄鋁材質(zhì)，兩者為鑲件注塑成型。為了提升內(nèi)桶轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性，目前的設(shè)計方案是在洗衣機外桶背面，圍繞軸套增加鈑金加強板，通過螺栓與外桶固定連接，如圖2所示。在對洗衣機進行振動測試時，洗衣機頂部的最大振動幅度遠遠超過了使用要求。

為了優(yōu)化設(shè)計，項目組提出了新的加強方案，將軸承座結(jié)構(gòu)向外延伸，一體鑄造成型后，再與外桶桶體鑲件注塑，將鑄造成型的加強部分整體嵌入外桶結(jié)構(gòu)內(nèi)部，提升整體的結(jié)構(gòu)強度。如圖3所示。擬通過對比仿真對新的設(shè)計方案可行性進行評估。

1.2 仿真模型建立

本算例是為了對比兩種外桶加強方案的優(yōu)劣，因此仿真模型只建立外桶、軸套及加強板模型，外殼視為剛體，將外殼簡化為外桶與外殼連接面的固定約束。內(nèi)桶簡化為施加在軸套的載荷，就可能夠得到比較準確的仿真結(jié)果。

1.3 仿真模型處理

刪除模型狹小縫隙、尖銳連接等，保持模型的整體結(jié)構(gòu)不動。外桶的筋板對整體結(jié)構(gòu)強度有很大的加強作用，所以全部保留。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分均采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸按7 mm進行劃分。由于各個零件壁厚差異不大，為了提高零件間的接觸質(zhì)量，網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一。

軸承剛度與外桶相比大的多，可以視為剛體，為簡化模型，在前后兩個軸承位置分別設(shè)置剛性單元代替。

為方便施加載荷和仿真結(jié)果提取，在前、后軸承單元間設(shè)置連桿單元，分別與前、后軸承中心相連。如圖4所示。

原狀態(tài)的加強板與外桶連接螺栓簡化為螺栓單元，優(yōu)化后方案將軸套整體與外桶綁定接觸。

1.5 載荷設(shè)置

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，內(nèi)桶在偏心轉(zhuǎn)動工作時，在軸承位置產(chǎn)生的最大偏心靜矩約為492 Nm,通過在連桿單元兩端分別施加垂直于連桿且方向相反的力來等效軸承座承受的扭矩。根據(jù)前、后軸承間距，根據(jù)力矩公式M=F×L，計算得知所施加的力大小為5 655 N。如圖5所示。

為了使仿真分析的結(jié)果更加全面，根據(jù)加強板結(jié)構(gòu)和分布情況，分別在結(jié)構(gòu)最強和最弱方向施加扭矩。原狀態(tài)外桶分別施加A、B方向的靜矩，如圖6所示。優(yōu)化后外桶分別施加C、D兩個方向的靜矩，如圖7所示。

2 結(jié)果分析

2.1 仿真結(jié)果提取

洗衣機內(nèi)桶的撓度是主要關(guān)注對象，提取設(shè)置的軸承單元的撓度結(jié)果即為內(nèi)桶的等效撓度。同時也要關(guān)注整體應(yīng)力分布情況，避免零件結(jié)構(gòu)失效情況的出現(xiàn)。由于軸承座和加強板均為金屬材質(zhì)，相比而言，失效風險均集中在外桶桶體，因此提取桶體的應(yīng)力結(jié)果進行分析。

將每種狀態(tài)及每種載荷下的仿真結(jié)果，匯總后如表1所示。可以根據(jù)仿真數(shù)據(jù)以及結(jié)果云圖對零件結(jié)構(gòu)強度進行比較全面的評估。

表1 仿真結(jié)果匯總表

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果，可以提取出轉(zhuǎn)軸撓度、桶體應(yīng)力分布等，根據(jù)結(jié)果可以評估洗衣機轉(zhuǎn)動過程中內(nèi)桶的撞壁風險，也能通過應(yīng)力評估加強板連接的可靠性。指導洗衣機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

原狀態(tài)外桶軸承撓度達到了0.4 °，桶體最大應(yīng)力也達到94.18 MPa，已經(jīng)達到了材料的屈服極限，有極高的質(zhì)量風險。而且在螺釘連接位置有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，極易產(chǎn)生材料疲勞，造成結(jié)構(gòu)失效。

優(yōu)化后的外桶與原狀態(tài)相比，軸承最大撓度只有0.17°，減少了50 %左右。桶體最大應(yīng)力只有14.78 Mpa，相比降低了80 %以上，而且整體應(yīng)力分布比較均勻，沒有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)可靠性較高，能夠滿足產(chǎn)品需求。

3 結(jié)論

本文通過兩種洗衣機外桶方案的結(jié)構(gòu)仿真，可以根據(jù)仿真結(jié)果很快得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體收益情況，比較準確的評估設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)可靠性。

本文采用洗衣機外桶的結(jié)構(gòu)強度仿真分析來評估外桶結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，仿真模型簡單，仿真效率高，能夠較好的指導洗衣機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。免去了制作樣件、樣機及試驗驗證等繁瑣過程，大幅提升研發(fā)效率。本文只針對外桶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行仿真，也可以按照這個仿真思路對洗衣機其他零件進行仿真分析，指導結(jié)構(gòu)設(shè)計。