基于Workbench的滾筒洗衣機(jī)內(nèi)筒靜力分析

翁雙 張俊

摘 要：本文運用NX8.5建模軟件和有限元分析軟件ANSYS WorkBench建立某型號滾筒洗衣機(jī)滾筒組件實體模型并導(dǎo)入有限元分析軟件，對洗衣機(jī)滾筒在靜載工況下的受力進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，并得出滾筒變形情況，最后通過分析結(jié)果提出了對滾筒組件的改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：滾筒洗衣機(jī)；滾筒；ANSYS WorkBench

當(dāng)前，滾筒洗衣機(jī)已經(jīng)越來越普及，其耐用性則顯得尤為重要。洗衣機(jī)滾筒組件是洗衣機(jī)的關(guān)鍵受力承載部件。滾筒在工作過程中有較大變形，則會減短使用壽命，加速其本身以及相關(guān)零部件的損壞。因此，分析滾筒變形情況，減小滾筒總體變形在總體設(shè)計中顯得尤為重要。運用NX8.5建模軟件和ANSYS WorkBench對某型號滾筒洗衣機(jī)的滾筒組件進(jìn)行實體建模并導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，得出滾筒變形情況，通過軟件分析結(jié)果得出危險部位，為滾筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)參考。

1 滾筒組件建模

滾筒洗衣機(jī)滾筒組件為懸臂結(jié)構(gòu)。通過測繪我們得到滾筒相關(guān)幾何尺寸，通過NX8.5軟件對組件進(jìn)行三維建模。為了保證有限元分析過程中網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，需要對三維模型進(jìn)行簡化處理，去除螺栓孔等細(xì)小附件；去除部分圓角等。最終簡化的洗衣機(jī)滾筒模型如圖1所示。

圖1 洗衣機(jī)滾筒簡化模型

2 滾筒組件有限元模型

將由NX8.5建立的三維模型導(dǎo)出Parasolid模型，格式為*.x_t文件，導(dǎo)入到ANSYS WorkBench中。

2.1 劃分網(wǎng)格和定義材料屬性

滾筒結(jié)構(gòu)有特定的力學(xué)特性，軸和支架采用Solid45單元來劃分網(wǎng)格，其為8節(jié)點六面體類型，該單位有x、y、z三個方向自由度，單元具有蠕變、塑性、大應(yīng)變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化等能力，計算精度較高，便于施加載荷。

滾筒本體采用Shell63單元，其中Shell63單元具有薄膜和彎曲能力，可以承受法向荷載和平面內(nèi)荷載，單元每個節(jié)點具有6個自由度，即沿節(jié)點坐標(biāo)系x、y、z方向的平移自由度和沿節(jié)點坐標(biāo)系x、y、z軸的轉(zhuǎn)動自由度，包括了應(yīng)力強(qiáng)化和大變形能力。滾筒組件材料和力學(xué)性能見下表1。

表1 滾筒組件材料和力學(xué)性能表

對軸、三角支架和滾筒進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分好的滾筒組件如圖2所示。

2.2 添加約束

約束添加方面，對軸承與滾筒軸連接部進(jìn)行軸向和周向約束，來仿真軸與軸承的連接。

3 施加載荷進(jìn)行有限元計算分析

3.1 滾筒組件施加載荷

我們將通過洗衣機(jī)滾筒高速脫水狀態(tài)下的有限元靜力學(xué)分析，得出最大變形量以及應(yīng)力集中部位。下面是對滾筒的載荷分析：

滾筒主要受到三種力的作用：（1）衣物和水對滾筒的壓力；（2）滾筒自身重力；（3）滾筒旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性力。其中衣物和水對滾筒的壓力就等于衣物旋轉(zhuǎn)所需的向心力F=mω2r，其中m為衣物加水的質(zhì)量，ω為滾筒的轉(zhuǎn)動角速度，r為滾筒半徑。

當(dāng)衣物在滾筒側(cè)壁底部時：∑F=N-G則N=F+G。高速旋轉(zhuǎn)時F》G，所以N≈F。即滾筒所受的壓力約等于衣物和水的向心力。甩干時衣物和水均勻分布在滾筒內(nèi)壁，所以滾筒內(nèi)壁表面受到法向均布壓力。

3.2 滾筒組件靜力學(xué)分析

下圖3為通過ANSYS WorkBench進(jìn)行計算機(jī)軟件模擬分析所得到的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出：在滾筒高速旋轉(zhuǎn)的每一瞬時變形情況，其中應(yīng)力集中的地方出現(xiàn)在滾筒升舉筋和支架與滾筒連接處。滾筒外殼因為衣物和水的壓力作用都存在一定程度的變形，最大變形出現(xiàn)在滾筒凸肩處，變形值為0.02mm。而最大應(yīng)力出現(xiàn)在三角支架與滾筒連接處，大小值為8.4MPa。這兩個位置是滾筒在運行過程中發(fā)生變形和應(yīng)力集中位置，結(jié)構(gòu)改進(jìn)時應(yīng)當(dāng)重點予以優(yōu)化。

圖3 滾筒應(yīng)力云圖

結(jié)束語

本文運用ANSYS WorkBench工具進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)慣性力作用下的靜力分析，仿真得到滾筒旋轉(zhuǎn)過程中任一時刻的應(yīng)力和變形，對洗衣機(jī)滾筒組件部分的設(shè)計改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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