模拟洗衣机中的振动和噪声

Bridget Cunningham 2015年 1月 15日

由于洗衣机内的衣物分布不均匀,会产生我们能察觉到的振动和噪声。要优化这类常见家用设备的设计,对运动和声音背后动力学的模拟会是一项非常有价值的工具。

现代化设备

买房时,人们往往会再买一些常用的现代化设备,比如洗衣机。家里有了洗衣机之后,我们就可以省去将衣服送到自助洗衣店或自己动手洗的时间,能有空做其他家务,当然更棒的是可以好好休息一下。

假设今天是洗衣日,而且您很幸运,家里有一台洗衣机。您是怎么注意到衣服洗好了呢?常见的判断标志是周围安静下来了。

洗衣时,您的洗衣机极可能会产生振动和噪声,这是由于洗衣机内部衣物分布的不均匀和机器的结构属性造成的。我们现在有一个多体动力学模型,使您能够通过仿真来分析这一常见的问题。

分析洗衣机中的振动和噪声

洗衣机装配体中的振动模型描述了一个横轴式便携洗衣机。模型几何对应于洗衣机装配体中的不同部件(含外壳),以不同颜色区分显示。

Washing machine geometry 模拟洗衣机中的振动和噪声
洗衣机的几何。

洗衣机部件分别表示为以下颜色:

颜色
衣服
滚筒
电机
活塞 绿
气缸 紫红
底座
底座支架
外壳

在这个多体动力学示例中,我们假定将外壳模拟为易弯曲的壳层,并使用刚性实体模拟洗衣机的其他部件。此外,我们假定衣服相对滚筒的位置不变。

下图解释了由关节和弹簧连接的机器不同部件之间的关联细节。

Machine connections 模拟洗衣机中的振动和噪声

结果

在特征频率分析中,一种模式关注桶的平移,另一种显示了它沿纵轴的旋转。每个特征模式都突出了外壳的对应变形,这些变形相对于桶的运动较小。

Tub translating mode 模拟洗衣机中的振动和噪声
Rotational tub mode 模拟洗衣机中的振动和噪声

左图:桶的平移模式。右图:桶的旋转模式。

下一组图显示了桶的位移大小,以及整个运行期间不平衡放置衣物的角度。这里,红色和蓝色分别代表了轨迹的最初时间和最终时间。

In plane displacement magnitude1 模拟洗衣机中的振动和噪声
Out of plane displacement magnitude1 模拟洗衣机中的振动和噪声

为确认机器旋转期间在洗衣机外壳中产生的振动,我们可以执行一个瞬态分析,下图描述了右侧壁上的一个点在多个方向上发生的外壳变形。

Housing deformation 模拟洗衣机中的振动和噪声

接下来,我们可以分析右侧壁中部一个点上的外壳法向加速度,以测量侧壁发出的噪声。这些结果在下方左侧的绘图中进行了展示。同时,右侧的绘图描述了该加速度的频谱。

Normal acceleration 模拟洗衣机中的振动和噪声
Frequency spectrum of normal acceleration 模拟洗衣机中的振动和噪声

我们可以注意到侧壁振动的频率主要在 0-30 Hz 的范围内,峰值在 1.67 Hz 附近,这可以看作激发频率。这与我们根据滚筒的惯性质量比和设定旋转速度下的载荷推断出的频率相符。但有意思的是,也出现了高于激发频率的侧壁振动频率值,这将发射额外的噪声。

出于这种考虑,可以将洗衣机设计为仅在较低的、人耳捕捉不到的频率发出噪声。对材料的选择和设计也必须保证洗衣机的结构足够稳固,可以限制所有频率下的振幅,以防止零件失效。

自己动手操作:


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评论

  1. 云龙 孙 August 20, 2015   5:28 am

    您好,我通篇看了这篇文章,包括中文版和英文pdf版,并下载了程序源文件进行练习。对此案例资料的详实和有趣,我表示由衷的感谢。
    但是我有两个问题:为什么在figure2和figure3中,洗衣机滚筒的形变量在几千mm量级(大大超过洗衣机自身的尺寸)?更让我感到不解的是:在源程序里面,产生figure2的三维绘图组中设置显示比例因子的时候,比例因子被设为1,可是几千mm的位移量竟然还在几百毫米尺寸的洗衣机内,为什么?

  2. 云龙 孙 August 20, 2015   7:38 am

    您好!
    刚刚发的评论里第二个问题,我已清楚怎么回事,因为我把比例因子看错了。
    但是,第一个问题,我还是不明白,请看到后能解答我心中的疑惑。

  3. 王 刚 August 21, 2015   3:36 am

    图2和图3的结果所显示的都是结构(洗衣机)的模态(特征频率)分析结果,其位移表征的是对应的特征频率振动时的振型,通常情况下,它用来说明各个自由度方向振幅之间的相对比例关系,主要反映的是结构振动的形式,而不是实际的振幅的绝对大小。
    如果您需要分析实际载荷工况下该频率对应的振幅,应当再做一个频域分析(Frequency Domain)。

  4. Bao Liu March 3, 2016   12:18 am

    comsol工程师
    您好,在固体频域分析中怎么样实现移动荷载的加载,在瞬态分析移动荷载可以表示为F(x-ct),其中x表示移动方向,c表示速度,t表示时间;在频域中怎么实现移动荷载,理论分析中通常把x变换到波数域中,在comsol中该怎么实现。

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