基于Workbench的滚筒洗衣机内筒静力分析

翁双 张俊

摘 要：本文运用NX8.5建模软件和有限元分析软件ANSYS WorkBench建立某型号滚筒洗衣机滚筒组件实体模型并导入有限元分析软件，对洗衣机滚筒在静载工况下的受力进行结构力学分析，并得出滚筒变形情况，最后通过分析结果提出了对滚筒组件的改进建议。

关键词：滚筒洗衣机；滚筒；ANSYS WorkBench

当前，滚筒洗衣机已经越来越普及，其耐用性则显得尤为重要。洗衣机滚筒组件是洗衣机的关键受力承载部件。滚筒在工作过程中有较大变形，则会减短使用寿命，加速其本身以及相关零部件的损坏。因此，分析滚筒变形情况，减小滚筒总体变形在总体设计中显得尤为重要。运用NX8.5建模软件和ANSYS WorkBench对某型号滚筒洗衣机的滚筒组件进行实体建模并导入有限元分析软件进行结构静力分析，得出滚筒变形情况，通过软件分析结果得出危险部位，为滚筒结构改进提供数据参考。

1 滚筒组件建模

滚筒洗衣机滚筒组件为悬臂结构。通过测绘我们得到滚筒相关几何尺寸，通过NX8.5软件对组件进行三维建模。为了保证有限元分析过程中网格划分的质量，需要对三维模型进行简化处理，去除螺栓孔等细小附件；去除部分圆角等。最终简化的洗衣机滚筒模型如图1所示。

图1 洗衣机滚筒简化模型

2 滚筒组件有限元模型

将由NX8.5建立的三维模型导出Parasolid模型，格式为*.x_t文件，导入到ANSYS WorkBench中。

2.1 划分网格和定义材料属性

滚筒结构有特定的力学特性，轴和支架采用Solid45单元来划分网格，其为8节点六面体类型，该单位有x、y、z三个方向自由度，单元具有蠕变、塑性、大应变、膨胀、应力强化等能力，计算精度较高，便于施加载荷。

滚筒本体采用Shell63单元，其中Shell63单元具有薄膜和弯曲能力，可以承受法向荷载和平面内荷载，单元每个节点具有6个自由度，即沿节点坐标系x、y、z方向的平移自由度和沿节点坐标系x、y、z轴的转动自由度，包括了应力强化和大变形能力。滚筒组件材料和力学性能见下表1。

表1 滚筒组件材料和力学性能表

对轴、三角支架和滚筒进行自由网格划分。网格划分好的滚筒组件如图2所示。

2.2 添加约束

约束添加方面，对轴承与滚筒轴连接部进行轴向和周向约束，来仿真轴与轴承的连接。

3 施加载荷进行有限元计算分析

3.1 滚筒组件施加载荷

我们将通过洗衣机滚筒高速脱水状态下的有限元静力学分析，得出最大变形量以及应力集中部位。下面是对滚筒的载荷分析：

滚筒主要受到三种力的作用：（1）衣物和水对滚筒的压力；（2）滚筒自身重力；（3）滚筒旋转所产生的惯性力。其中衣物和水对滚筒的压力就等于衣物旋转所需的向心力F=mω2r，其中m为衣物加水的质量，ω为滚筒的转动角速度，r为滚筒半径。

当衣物在滚筒侧壁底部时：∑F=N-G则N=F+G。高速旋转时F》G，所以N≈F。即滚筒所受的压力约等于衣物和水的向心力。甩干时衣物和水均匀分布在滚筒内壁，所以滚筒内壁表面受到法向均布压力。

3.2 滚筒组件静力学分析

下图3为通过ANSYS WorkBench进行计算机软件模拟分析所得到的应力云图，从图中可以看出：在滚筒高速旋转的每一瞬时变形情况，其中应力集中的地方出现在滚筒升举筋和支架与滚筒连接处。滚筒外壳因为衣物和水的压力作用都存在一定程度的变形，最大变形出现在滚筒凸肩处，变形值为0.02mm。而最大应力出现在三角支架与滚筒连接处，大小值为8.4MPa。这两个位置是滚筒在运行过程中发生变形和应力集中位置，结构改进时应当重点予以优化。

图3 滚筒应力云图

结束语

本文运用ANSYS WorkBench工具进行了稳态惯性力作用下的静力分析，仿真得到滚筒旋转过程中任一时刻的应力和变形，对洗衣机滚筒组件部分的设计改进具有一定的指导意义。

参考文献

[1]袁越锦.ANSYS Workbench 14.0建模仿真技术及实例详解[M].北京：化工出版社，2014.

[2]武敏，谢龙汉.ANSYS Workbench有限元分析及仿真[M].北京，电子工业出版社，2014.