基于MSC Adams的滚筒洗衣机动态特性建模与仿真

2017-03-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

本文以MSC.Adams为基础建立了滚筒洗衣机的刚柔混合虚拟样机模型,模型中箱体利用MSC.Patran/Nastran做柔性体处理,并通过模态试验来验证有限元模型,其余部件为刚性体。在此基础上进行滚筒洗衣机的动力学仿真分析。

引言
自动洗衣机是现代家庭中常用的家用电器之一。滚筒洗衣机也叫做前装式或水平轴洗衣机,在欧洲家庭中使用较多。近年来,滚筒式洗衣机以其节水、容量大、洗涤均匀、磨损率低以及自动化程度高等优点被越来越多的中国家庭所接受。滚筒洗衣机因其结构先天存在的偏心而产生很多振动问题,振动的激励源来自系统内部,存在变载、大变形、大偏心,系统通过弹性连接与外壳相连接,具有多个自由度,呈现复杂的运动状态。这种复杂的动力学问题而很难进行精确的数值计算。MSC.Adams是优秀的机械系统动态仿真软件。本文使用MSC.Patran/Nastran软件建立滚筒洗衣机箱体的柔性体模型,使用Pro/E建立其余刚性体模型,装配后倒入导虚拟样机软件ADAMS中,建立了滚筒洗衣机刚柔混合多体系统动力学模型。其流程如图1:

图1 建模流程图

1 柔性体建模
考虑滚筒洗衣机箱体的刚度最小,选其作柔化处理。在MSC.Partran中使用二维Shell单元建立箱体的有限元模型,如图2所示。建立的有限元模型的包含节点10173个,shell单元9885个,MPC 8个。首先保证建立的有限元模型于实际物理模型质量统一,经测量有限元模型质量为10.43kg,测得实际物理模型质量10.5kg,相对误差为0.67%。
在需要其他部件用RBE2建立MPC。将建好的有限元模型提交MSC.Nastran生成MNF(Modal Neutral File)文件,即模态中性文件,以及*.op2、*.out文件,然后在MSC.Adams中读入。
通过箱体物理模型的模态试验来验证有限元模型,前四阶频率对照如表1所示。去除边界条件等因素影响,可以看出有限元模型与实际模型在模态频率上基本一致。

图2 洗衣机箱体有限元模型
表1 模态测试与有限元模型模态计算结果前四阶的频率对照表

2 刚性体建模
滚筒洗衣机中其他部件在运动过程中刚性很大,变形可忽略不计,做刚形体处理,为了保证部件物理参数符合实际情况,使用Pro/E建立洗衣机的内桶、外桶、配重及电机,装配后使用接口软件Mech/Pro将装配好的模型导入到MSC.Adams中。
将箱体的柔性体模型及其余刚性体在ADAMS中装配好,按照其相互之间的连接关系定义约束,为了研究洗衣机在脱水工况下的行走特性,将洗衣机按照正常使用的情形以四个底脚放置于地面上,得到滚筒洗衣机的虚拟样机模型,如图3所示。洗衣机模型内部主要的未约束自由度数为4个,分别为滚筒在X-Y平面内的平动和绕Z轴的转动,以及洗衣机内桶在绕自身水平轴的转动。其中内桶的转动自由度通过旋转驱动约束,实际模型自由度数为3。
3 柔性连接部件建模
滚筒洗衣机滚筒部分的重量完全由上面两个拉伸弹簧承担,实验测得弹簧的刚度系数K=4851.5Newton/Meter。下面的两个阻尼器的作用一个是定位,限制滚筒在x-z平面内,另一个主要作用是减振,也是整个模型最重要的部分之一。阻尼器模型如图4所示。

图3 滚筒洗衣机的虚拟样机模型图4 阻尼器的ADAMS模型结构

4.仿真结果
4.1 配重质量为
滚筒中配重的质量为零,内桶的转动角速度为666转/分。

图5 内筒旋转角速度图图6 地脚1在X方向位移时域曲线

4.2 配重质量为300g
滚筒中配重的质量为300g,内桶的转动角速度一次升高到最大脱水转速1000转/分。

图7 内桶旋转角速度图图8 地脚1在X方向位移时域曲线

4.3 配重质量为300g
滚筒中配重的质量为300g,内桶的转动角速度两次升高到最大脱水转速1000转/分。

图9 内桶旋转角速度图图10 地脚1在X方向位移时域曲线

5 结果分析与结论
使用配重模拟洗衣机内部的衣物,作为集中质量处理。洗衣机四个地脚的位移大致相同,以脚1为例。当配重质量为0时,洗衣机空转,转速在5秒内从零升高到666转/秒,地脚在X方向上的位移在速度恒定后稳定在初始位置附近,说明此模型能够正确反映洗衣机的动力学特性。如图5、6所示。当配重质量增加到300g时,让内桶转速在5秒内一次性从零升高到最大脱水转速1000转/秒,此过程中配重的质量按照衣物的脱水速率逐渐减少,发现箱体会有一个大位移响应现象出现,从而导致地脚位移突变。如图7、8所示。为消除共振,减小地脚位移,改变内桶角速度的控制策略,分两次阶段性增加,如图9、10所示。可以看到明显抑制了地脚位移突变现象。
通过仿真分析可以得到内桶转速控制方式与滚筒洗衣机行走特性的关系,并验证了所建立模型的正确性,可以在此模型基础上进一步研究滚筒洗衣机的各种动力学特性。

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