1 概述

       滚筒洗衣机在高速脱水时，衣服的不平衡分布产生偏心质量，使得滚筒组件承受较大的离心力，容易导致滚筒变形、发生噪音，甚至出现洗衣机整机共振等情况。近年来，超薄、大容量、高转速等已成为滚筒洗衣机产品的发展趋势，因此对滚筒洗衣机的耐用性、振动噪音及可靠性设计要求日益严苛。洗衣机内部系统是由动力输入轴Shaft、轴承座Housing Bearing、三角法兰Flange Shaft、电机Motor、平衡块Weight Balancer、内筒组件(Drum Front、Wrapper、Drum Back)和外筒组件(Tub Front、Tub Back)组成，如图1所示。内部系统是洗衣机的重要组成部分和关键承载部件。

       本文运用OptiStruct对某型号滚筒洗衣机内部系统进行可靠性研究，考察滚筒的变形情况、内部系统振动特性以及轴系等关键部品强度，采用高速摄像和模态试验等分析技术进行验证，并分析各部件的刚度贡献量，为内部系统设计提供理论依据。
 
2 有限元模型的建立

       2.1 有限元模型网格划分

       利用HyperMesh建立有限元模型，其中Shaft、Housing Bearing和Flange Shaft轴采用2阶四面体单元进行网格划分，平衡块和电机采用1D质量单元模拟，其余部件采用四边形壳单元模拟，有限元模型见图2，整个模型共计单元139368个，节点172389个。各部件的材料力学性能参数见表1。
       2.2 静强度加载工况

       洗衣机的最主要工作状态为标准洗涤和高速脱水两种工况。在高速脱水工况下，衣物质量在滚筒中容易形成不均匀分布，会产生较大变形，甚至与外筒发生摩擦碰撞。因此本文仅考察洗衣机最恶劣的工况，即最高RPM脱水转速工况。在Wrapper前部施加离心力F，以模拟一定质量M偏心情况产生的离心力，在Tub与弹簧和减振器装配处施加全约束，加载工况如图2所示。由于Drum Front的径向变形量是重要的考察点，所以需要建立局部圆柱
坐标系system-1，见图2。
 
       2.3 计算结果分析

       高速脱水工况中，为避免Drum与Tub发生摩擦碰撞，需要考察Drum与Tub之间的相对变形情况。根据内部系统示意简图可知，内筒Drum和轴系组件实际上构成一个悬臂梁结构，如图3所示，前后轴承为其支撑点，因此Drum前端的位移较大。为便于后续试验验证，本文主要选取Drum Front和Wrapper径向变形量作为考察对象，变形云图如图4-图5所示，其中Drum Front和Wrapper最大径向位移值分别为5.0mm和5.5mm。与开发设计间隙相比，余量较大，满足设计要求。
     
       轴系组件Flange Shaft、Housing Bearing和Shaft作为关键的承载部件，其强度是洗衣机耐久性的重要指标，这三个部品的应力分布云图见图6-8，最大应力及安全系数统计结果见表2。由静强度分析结果可知，轴系组件各部品最大应力的安全系数均在2.5以上，满足设计要求。
       
3 模态分析

       洗衣机高速脱水时，在离心力作用下，内外筒前端发生相对运动，因此将内外筒间反向运动的模态称为逆相位模态（Out Of Phase Mode），简称OOP模态。逆相位模态所对应的固有频率在某种程度上是一个衡量内部系统刚度的指标。如果该频率与实际最高转速接近时，则会引发内部系统共振，导致内外筒相磨，轴系结构破坏，甚至整机共振移位等严重问题。因此本文需考察内部系统OOP模态，在Tub与弹簧和减振器装配处施加全约束，对内部系统进行约束模态分析。OOP振型云图见图9所示，对应的固有频率为60.2Hz。大量的试验数据表明。OOP模态的安全系数应高于2.5倍以上。该型号洗衣机内部系统OOP模态频率安全系数为3.0，满足设计要求。
 
4 试验验证与分析

       4.1 高速摄像技术

       洗衣机高速脱水时，以最高转速1200rpm为例，内筒旋转一圈仅需1/20s，肉眼和常规测试方法无法识别和监测筒的变形量，需要借助于高速摄像机，通过慢动作图像分析关心部位在偏心负载作用下的变形情况。本文借助InLine高速摄像机对高速脱水工况下Drum Front前段卷边处的径向变形量进行监测，如图10所示，分别记录最高转速脱水时无偏心负载和有偏心负载两种情况下内筒工作过程影像，再通过慢速回放测量偏心导致的位移变化量，如图11所示。分别对不同偏心质量m₁-m₅在高速脱水工况下Drum Front径向变形量进行仿真和测试，将Drum Front径向变形量的仿真值与试验值进行拟合。由分析结果可知，仿真值与试验值的相关度高达99.7%，如图12所示，即仿真值能真实反映试验结果的趋势，且仿真值与试验值满足线性关系：      
       4.2 OOP模态试验

       采用力锤法对内部系统进行模态试验，确定OOP模态及频率，如图13所示。
 
       由试验结果可知，该型号滚筒洗衣机的OOP模态为59.5Hz，仿真值与试验值之间的误差很小，仅为1.2%，由此验证了仿真分析方法的有效性和准确性。

5 内部系统各部件刚度贡献量分析

       在HyperWorks中，通过改变不同部件的刚度，由仿真结果可以得出内部系统各部件对OOP模态以及Drum Front径向变形量的贡献度，如图14-15所示，其中Tub Back Assy包括Tub Back、Housing Bearing和Shaft。
   
6 结论

       本文基于OptiStruct，对某型号滚筒洗衣机内部系统进行研究，通过滚筒的变形情况、OOP模态以及轴系等关键部品强度三个方面对内部系统的强度和刚度进行校核，采用高速摄像和模态试验等分析技术进行验证，并分析各部件的刚度贡献量。得出如下结论：

       1)该型号洗衣机在高速脱水工况下Drum前端位移相比于设计间隙，余量较大；内部系统OOP模态频率安全系数为3.0，轴系组件各部品最大应力的安全系数均在2.5以上，满足设计要求。

       2)通过高速摄像技术分析，Drum Front径向变形量仿真值与试验值的相关度高达99.7%，且仿真值与试验值满足一定的线性关系，产品研发过程中可借助该线性关系通过仿真手段有效预测内筒真实变形情况。

       3)借助模态试验可知，OOP模态频率的仿真值与试验值之间的误差很小，仅为1.2%，由此验证了仿真分析方法的有效性和准确性。

       4)通过仿真手段，分析得出内部系统各部件对OOP模态以及Drum径向变形量的贡献度，为产品研发设计人员提供更有针对性的改善思路。

       综上所述，本文利用Altair公司HyperWorks软件的OptiStruct模块成功实现了对滚筒洗衣机内部系统的可靠性研究，为设计者提供新的设计开发思路，在确保性能的前提下，可以显著提高设计效率，节约样机，大大缩短开发周期，减少高额的试验费用，加快产品研发进程，并减轻产品开发工程师的劳动强度。本文的研究为后续洗衣机内部系统设计起到一定的指导意义。

7 参考文献

       [1] 欧贺国，方献军，洪清泉等.《RADIOSS 理论基础与工程应用》. 北京：机械工业出版社，2013.3. 
       [2] 张胜兰，郑冬黎，郝琪，李楚林等.《基于 HyperWorks 的结构优化设计技术》. 北京：机械工业出版社，2007
       [3] Altair Engineering Inc.Altair RADIOSS_11.0_Reference_Guide,Altair Engieering Inc