滚筒洗衣机箱体振动特性及模态分析

1、滚筒洗衣机箱体振动特性及模态分析胡效东1，闵迎亚1 ，刘学亮2，刘宪福1（1.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266510,E-mail: janease； 2.海信容声（广东）冰箱有限公司，广东佛山 528303）摘 要：滚筒洗衣机箱体是由钣金件经冲压和铆接组成，其振动特性是该类型洗衣机振动控制的重要环节。基于锤击法和单点激振方式，应用LMS振动测试系统测试滚筒洗衣机箱体的模态特性，并用LMS Test.Lab软件进行相关信号分析；采用有限元法对滚筒洗衣机箱体进行模态分析，并对比试验和仿真分析结果，得出如下结论：1箱体两侧板发生局部变形，且中部振动较为明显；2试验模态和计算模态得到的

2、各阶固有频率误差在6.1%以内，模态振型基本保持一致，箱体三维模型相对可靠。箱体侧板振动明显，是刚度不足造成，可提出箱体的优化结构：采用环形凹槽的侧板冲压结构代替原有的竖直凹槽。从谐响应分析计算得到的箱体改进前后侧板测点的低阶频率和振幅的比较可看出，结构优化合理。关键词：振动；箱体；试验模态；计算模态 中图分类号：TH113.1；TH703.9 文献标识码：A Vibration Characteristic and Modal Analysis of the Cabinet of Drum Washing MachineHU Xiao-dong1 ，MIN Ying-ya1，LIU Xue-

3、liang2，LIU Xian-fu1(1.Shan Dong University of Science and Technology, Qingdao 266590;2.Ronshen Hisense refrigerator (Guangdong) Co. Ltd. Foshan 528303) Abstract: As an important element of a drum washing machine, vibration characteristics of the cabinet which is made of sheet metal punching and rive

4、ting has been discussed in this paper. Modal characteristics of the cabinet were implemented by software ANSYS and LMS vibration test system based on hammering method and single-point excitation mode. According to the comparison of the experimental and simulation results, the following conclusions w

5、ere put forward: local deformation is detected on both side panels of the cabinet, and the vibration is obvious in the middle; the natural frequencies error of experimental modal and computational modal is within 6.1%, modal shapes are consistent nearly, and the 3 d model of the cabinet is relativel

6、y reliable. The vibration of the side panel is caused by insufficient rigidity, so the optimum structure can be put forward: the side panel stamping structure of the original vertical grooves was replaced with the one of the annular groove. Comparing of the low frequency and amplitude using harmonic

7、 response analysis of measuring point, the structure optimization is reasonable. Keywords: vibration; cabinet; experimental modal; computational modal 项目基金：中国博士后科学基金 （基金编号：2012M511015） 滚筒洗衣机是一个典型的振动系统，主要包括内外筒组件、弹簧、阻尼和箱体1。滚筒洗衣机洗衣工作时，速度较慢，振动幅度较小。但是在脱水时，洗衣机内筒转速达到1800r/min，带水衣物产生的偏心力矩是造成滚筒洗衣机振动的主要原因，产生的

8、噪声影响产品质量。国内学者朱耀辉2利用CAD和CAE软件建立某滚筒洗衣机的刚柔混合虚拟样机模型，并用ADAMS软件进行仿真分析，得出滚筒洗衣机的动力学性能，提出滚筒洗衣机重心位置、固有频率、箱体结构、阻尼器选用、地脚等方面的设计建议；张昊3针对National NA-V82型号滚筒洗衣机开发了一种新型的低振动的滚筒洗衣机驱动控制方法，并通过实验测得的有关参数证实了其对降低洗衣机振动具有比较明显的效果。国外学者Agnani, A.4介绍了洗衣机多体模型的性能，预测洗衣机的振动和潜在发声部位；在不同的旋转速度下测试模型输入，参考可控条件下相同组件的模态分析数据，来更新模型的各组件；最后根据实验获得

9、的各个点的振动信号，来校准模型。滚筒洗衣机箱体在承载洗衣机主要载荷的同时，对洗衣机的振动特性具有较大的影响。本文搭建滚筒洗衣机箱体振动测试系统，采用LMS Test.Lab软件对滚筒洗衣机箱体振动信号模态分析，并用ANSYS软件计算洗衣机箱体振动模态，对比分析试验和仿真结果，为滚筒洗衣机箱体结构设计提供理论依据。1 模态分析理论基础 模态分析的实质，是一种坐标转换，即以系统的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标。在该实验中，主要研究对象是滚筒洗衣机箱体，可以建立滚筒洗衣机箱体自由振动的运动微分方程，如公式（2-1）所示。 （2-1） 式中M为质量矩阵，C为刚度矩阵，K为刚度矩阵。、和f(t

10、)分别为位移、速度、加速度和激振力列向量。方程（2-1）傅里叶变换后系统动力学方程如公式（2-2）所示： （2-2） 将物理坐标换成模态坐标，即，由振动理论知，对线性时不变系统即线性定常系统，系统任一点响应均可表示为各阶模态响应的线性组合。对第l测点的响应如式（2-3）所示。 （2-3） 式中为第l个测点第阶模态的振型系数，为第阶模态坐标。 （2-4） 式（2-4）中为第阶模态向量，反应该阶模态的振动形态，由各阶模态向量组成的矩阵称为模态振型矩阵，记为: （2-5） 用模态坐标替代物理坐标后，刚度、质量、阻尼矩阵都已经对角化了，即解耦了，对应r阶有： （2-6） 、分别为模态刚度、模态质量和模

11、态阻尼。箱体模态试验p点锤击力如公式（2-7）所示。 （2-7）模态力为： （2-8） p点激励，l点响应的频响函数如公式（2-9）。 （2-9）由上式可知，若知道箱体的传递函数，则可以识别，从而得出箱体的模态参数。2 箱体实验模态分析2.1 洗衣机箱体介绍 滚筒洗衣机箱体长600mm、宽480mm、高800mm，箱体实体模型如图1。箱体各部件通过焊接组成整体，且表面经过涂装处理。本箱体的材料为Q235-A钢板，厚度为0.8mm，其材料属性为：弹性模量E=2.07×1011Pa，密度=7800kg/m3，泊松比V=0.3。 图1 箱体实体模型Fig.1 Solid model of

12、cabinet 2.2 模态试验分析系统本文采用LMS振动分析仪进行振动测试和信号采集及处理，并用自带软件Modal Analysis模块进行模态分析。滚筒洗衣机箱体振动特性实验装置主要包括滚筒洗衣机箱体、力锤、加速度传感器、电荷放大器、测试分析系统如，如图2所示。2.3 测点布置及激振方案 本论文采用多点敲击、单点响应方法测量给定滚筒洗衣机箱体自由状态下的振动模态。箱体自由悬挂在设计的支架上，如图3所示。图2 测试原理图Fig.2 Test schematic diagram图3 箱体自由状态悬挂图Fig.3 The free suspension diagram of cabinet 考虑

13、到洗衣机箱体的外形结构特点，同时限于试验条件，锤击点选择箱体上的90个点（8个顶点，边框上12个点，两侧面均布70个点）。为提高信噪比，用力锤对箱体上的点分别进行5次敲击，采集激励信号。 模态分析中移动力锤和移动加速计在本质上是相同的，为了方便，本实验将三向加速度计固定在箱体某个点上，移动力锤，敲击不同的点，即是多点敲击，单点多方向拾振。2.4 测试结果箱体自由模态的稳态识别图如图4所示，稳态图有两个纵坐标，左边表示频响函数幅值，右边表示求解模型的阶次，横坐标为极点频率。为了不造成模态遗漏，识别结构的所有模态，图中选取的图形为所有测点频响函数之和。纵坐标上“s”极点较多的竖线对应的极点频率即为

14、固有频率。图4 稳态识别图Fig.4 Steady state recognition figure表1 试验模态固有频率Tab.1 The natural frequencies of experimental modal阶数1阶2阶3阶4阶5阶固有频率/Hz31.13053.77267.59073.03980.788 前五阶模态固有频率如表1。由实验得到的模态振型图看出随着模态阶次增大，两侧面的振动幅度增大，在第三阶时达到最大，且这一阶的箱体发生扭转变形，在侧板、后盖与上盖连接处变形较明显。在第四阶变形最小，其它阶箱体振型几乎集中在中部，说明箱体壁中部是易发生共振的地方，设计箱体时应注重这

15、部分的刚度和结构的设计。3 箱体计算模态分析3.1 箱体有限元模型建立为了方便划分网格和有限元计算，在不影响仿真计算结果的前提下，对滚筒洗衣机箱体的三维模型进行简化如下： 忽略箱体结构各处的过渡圆角以及螺栓孔、定位孔上的倒角； 用形状相对简单，过渡平滑的凸台代替箱体后盖上弯曲较多的凸台； 将箱体加工定位的孔，以及细小的凹凸槽、孔等忽略。简化后的箱体模型如图5，对箱体的自由模态进行分析，不考虑装配体的非线性接触关系，可以将螺栓连接等用form new part命令将装配体整合成一个整体。将模型导入ANSYS软件中，进行网格划分，划分方法选自动划分，单元尺寸为20mm，得到的有限元模型单元数为64

16、667个，节点数为129472个。3.2 有限元模态计算 对箱体采用自由模态分析时，由于自由状态下，箱体不产生内部应力载荷，六个自由度上产生刚体位移，则前六阶为刚体模态，箱体固有频率为零，没有多大意义，实际上第七阶固有频率是真正意义上的第一阶固有频率，将第七阶模态标记为第一阶模态，之后依次增加。本文选取除刚体模态之外的前三阶模态，箱体模态振型和模态固有频率如图6。 图5 箱体有限元模型Fig.5 Finite Element Model of cabinet 第1阶模态振型30.794Hz 第2阶模态振型50.484Hz 第3阶模态振型68.716Hz图6 箱体有限元模型各阶固有频率及模态振型

17、Fig.6 Natural frequencies and modal shapes of cabinet FEM 由上图6可看出，箱体第1阶振型为后盖与两侧板连接处的变形；第2、3阶振型为箱体侧面的弯曲变形，集中在中部；其它低阶振型多为箱体侧板的弯曲变形，集中在中部。其结果可见箱体的两侧面为主要的共振区，侧板刚度不足。当滚筒洗衣机正常工作，特别是脱水工况下，机箱两侧板受到不平衡负载产生的变载荷和变惯性力的作用，发生变形。4 箱体模态结果分析及结构改进4.1 结果分析得到的试验模态和计算模态的各阶模态振型基本保持一致，试验模态和计算模态的各阶固有频率对比图如表2。表2 试验模态与计算模态的固有

18、频率对比Tab.2 The compration of natural frequencies in experimental and computational modal阶数试验模态(wn/Hz)计算模态(wn/Hz)相对误差1阶31.13030.7491.2%2阶53.77250.4846.1%3阶67.59068.7161.7%4阶73.03970.5713.4%5阶80.78879.3981.7%由表2可知，实验数据与理论数据值较接近，说明模态分析结果符合要求，测出的试验数据是比较可靠的。而从上表中数据可以看出，试验模态分析得到的各阶固有频率几乎均高于有限元分析得到的各阶固有频率。经

19、推测知，有限元分析时模型进行了简化，没有考虑一些影响对称结构的细节部分，并且将箱体简化为整机，使得各阶固有频率偏低。试验模态和计算模态得到的各阶固有频率误差在6.1%以内，模态振型基本保持一致，箱体三维模型相对可靠。4.2 箱体结构改进由箱体的计算模态振型图图6可以看出箱体两侧板刚度不足，易与滚筒和电机激励发生共振，这里可对模型进行改进。因为箱体变形多沿着壁厚方向，所以理论上是可以通过增大壁厚来增加机箱刚度的，但是这样会增多箱体的材料，增大制造成本，且滚筒洗衣机质量增大，变得笨重，这种方法不宜采纳。改变箱体材料属性或改进侧板冲压结构也可增加箱体刚度，本文通过改变箱体的侧板冲压结构来对有限元模型

20、进行改进，重新进行计算模态分析。将侧板的四条竖直凹槽改为环形凹槽，修改后的模型如图7所示。图7修改后的箱体有限元模型Fig.7 New FEM of cabinet 箱体侧板结构改进后，重新进行计算模态分析，得到的模态振型特征为：第一阶模态振型是横梁与侧板连接处发生较大变形；第二阶模态是横梁、后盖与上盖连接处有较大变形；第三阶是箱体整体发生扭转变形，后盖与侧板连接处变形较大；第四阶振型为侧板偏前盖部位发生大变形；第五阶振型变为几乎只是箱体后盖发生较大变形。4.3 谐响应分析为验证修改后模型的有效性，对修改前后的机箱进行谐响应分析。将电机和滚筒等旋转部件的激振力加到箱体的有限元模型上，并用模态叠

21、加法来求解，得到激振频率范围为0100Hz的箱体结构各节点的位移响应曲线。改进前机箱侧面测点（如图5）处X向的位移在大约30Hz处初次达到峰值1.5mm。改进后箱体的同一测点处的X向的位移在大约37Hz处初次达到峰值1.2mm。经比较可知，箱体改进后低阶频率提高了，振幅也明显降低，说明了此改进后模型的有效性。5 结论 本文运用单点激振方式进行试验模态分析，并将得到的实验结果与计算模态进行比较，各阶固有频率略有差异，而模态振型基本保持一致。由模态振型图知，箱体振型主要表现为两侧板的局部变形，且中部振动较为明显，这是由于两侧板的刚度不足引起的。刚度不足使得固有频率较低，容易产生共振。本文采用改变侧

22、板冲压结构的方法来提高侧板甚至整机的刚度，降低振动和噪声。箱体结构振动的大小同时取决于结构的固有特性和激励力特性，在滚筒等旋转部件对箱体的激振力的大小不能优化的同时，增强箱体的刚度是减振的合理依据。参考文献1 Lim H T, Jeong W B, Kim K J. Dynamic modeling and analysis of drum-type washing machineJ, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,Vol.11, Issue 3，pp.407-417，2010.2 朱耀辉. 滚筒洗衣机动力学建模与仿真D. 南京：南京航空航天大学，2007.3 张昊. 低振动的滚筒洗衣机驱动系统控制研究D. 浙江：浙江大学，2008.4 Agnani A, Cannella F, Mar