基于MSC Adams的滾筒洗衣機動態特性建模與仿真

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文以MSC.Adams為基礎建立了滾筒洗衣機的剛柔混合虛擬樣機模型,模型中箱體利用MSC.Patran/Nastran做柔性體處理,并通過模態試驗來驗證有限元模型,其余部件為剛性體。在此基礎上進行滾筒洗衣機的動力學仿真分析。

引言
自動洗衣機是現代家庭中常用的家用電器之一。滾筒洗衣機也叫做前裝式或水平軸洗衣機,在歐洲家庭中使用較多。近年來,滾筒式洗衣機以其節水、容量大、洗滌均勻、磨損率低以及自動化程度高等優點被越來越多的中國家庭所接受。滾筒洗衣機因其結構先天存在的偏心而產生很多振動問題,振動的激勵源來自系統內部,存在變載、大變形、大偏心,系統通過彈性連接與外殼相連接,具有多個自由度,呈現復雜的運動狀態。這種復雜的動力學問題而很難進行精確的數值計算。MSC.Adams是優秀的機械系統動態仿真軟件。本文使用MSC.Patran/Nastran軟件建立滾筒洗衣機箱體的柔性體模型,使用Pro/E建立其余剛性體模型,裝配后倒入導虛擬樣機軟件ADAMS中,建立了滾筒洗衣機剛柔混合多體系統動力學模型。其流程如圖1:

圖1 建模流程圖

1 柔性體建模
考慮滾筒洗衣機箱體的剛度最小,選其作柔化處理。在MSC.Partran中使用二維Shell單元建立箱體的有限元模型,如圖2所示。建立的有限元模型的包含節點10173個,shell單元9885個,MPC 8個。首先保證建立的有限元模型于實際物理模型質量統一,經測量有限元模型質量為10.43kg,測得實際物理模型質量10.5kg,相對誤差為0.67%。
在需要其他部件用RBE2建立MPC。將建好的有限元模型提交MSC.Nastran生成MNF(Modal Neutral File)文件,即模態中性文件,以及*.op2、*.out文件,然后在MSC.Adams中讀入。
通過箱體物理模型的模態試驗來驗證有限元模型,前四階頻率對照如表1所示。去除邊界條件等因素影響,可以看出有限元模型與實際模型在模態頻率上基本一致。

圖2 洗衣機箱體有限元模型
表1 模態測試與有限元模型模態計算結果前四階的頻率對照表

2 剛性體建模
滾筒洗衣機中其他部件在運動過程中剛性很大,變形可忽略不計,做剛形體處理,為了保證部件物理參數符合實際情況,使用Pro/E建立洗衣機的內桶、外桶、配重及電機,裝配后使用接口軟件Mech/Pro將裝配好的模型導入到MSC.Adams中。
將箱體的柔性體模型及其余剛性體在ADAMS中裝配好,按照其相互之間的連接關系定義約束,為了研究洗衣機在脫水工況下的行走特性,將洗衣機按照正常使用的情形以四個底腳放置于地面上,得到滾筒洗衣機的虛擬樣機模型,如圖3所示。洗衣機模型內部主要的未約束自由度數為4個,分別為滾筒在X-Y平面內的平動和繞Z軸的轉動,以及洗衣機內桶在繞自身水平軸的轉動。其中內桶的轉動自由度通過旋轉驅動約束,實際模型自由度數為3。
3 柔性連接部件建模
滾筒洗衣機滾筒部分的重量完全由上面兩個拉伸彈簧承擔,實驗測得彈簧的剛度系數K=4851.5Newton/Meter。下面的兩個阻尼器的作用一個是定位,限制滾筒在x-z平面內,另一個主要作用是減振,也是整個模型最重要的部分之一。阻尼器模型如圖4所示。

圖3 滾筒洗衣機的虛擬樣機模型圖4 阻尼器的ADAMS模型結構

4.仿真結果
4.1 配重質量為
滾筒中配重的質量為零,內桶的轉動角速度為666轉/分。

圖5 內筒旋轉角速度圖圖6 地腳1在X方向位移時域曲線

4.2 配重質量為300g
滾筒中配重的質量為300g,內桶的轉動角速度一次升高到最大脫水轉速1000轉/分。

圖7 內桶旋轉角速度圖圖8 地腳1在X方向位移時域曲線

4.3 配重質量為300g
滾筒中配重的質量為300g,內桶的轉動角速度兩次升高到最大脫水轉速1000轉/分。

圖9 內桶旋轉角速度圖圖10 地腳1在X方向位移時域曲線

5 結果分析與結論
使用配重模擬洗衣機內部的衣物,作為集中質量處理。洗衣機四個地腳的位移大致相同,以腳1為例。當配重質量為0時,洗衣機空轉,轉速在5秒內從零升高到666轉/秒,地腳在X方向上的位移在速度恒定后穩定在初始位置附近,說明此模型能夠正確反映洗衣機的動力學特性。如圖5、6所示。當配重質量增加到300g時,讓內桶轉速在5秒內一次性從零升高到最大脫水轉速1000轉/秒,此過程中配重的質量按照衣物的脫水速率逐漸減少,發現箱體會有一個大位移響應現象出現,從而導致地腳位移突變。如圖7、8所示。為消除共振,減小地腳位移,改變內桶角速度的控制策略,分兩次階段性增加,如圖9、10所示。可以看到明顯抑制了地腳位移突變現象。
通過仿真分析可以得到內桶轉速控制方式與滾筒洗衣機行走特性的關系,并驗證了所建立模型的正確性,可以在此模型基礎上進一步研究滾筒洗衣機的各種動力學特性。

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