基于ANSYS仿真的温度对洗碗机固频的影响研究及噪声优化

何志超 王晓妮 顾然升 赫家宽 王领 朱剑锋

HE Zhichao WANG Xiaoni GU Ransheng HE Jiakuan WANG Ling ZHU Jianfeng

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

Zhuhai Gree Electric Appliances Co., Ltd. Zhuhai 519070

1 引言

近年来随着人民生活水平的提高，家用洗碗机逐步得到普及，振动和噪声成为用户关注和选择家用洗碗机的重要性能指标之一[1]。台式洗碗机中的洗涤泵与排水泵为主要振动源，当内胆的固频与激励源频率接近或相同的时候，会产生强烈的共振，传递并放大泵体的低频声，而这种低频噪声波长短，携带的能量大，在居家厨房中不易通过反射面来阻隔，极易传到客厅及卧室影响人们休息。因此，在洗碗机设计时，要对内胆等零部件的固有频率进行准确分析，避开共振频率，提高洗碗机的可靠性。

洗碗机在洗涤模式时，发热板开始工作，对内胆中的循环水持续加热到70℃，温度会改变零部件的固有频率，影响其模态参数。以往的零部件模态分析，只考虑其本身的固有频率，未考虑环境因素的影响，忽略了温度变化对模态的影响，对产品前期的结构设计造成误差。

本文通过ANSYS有限元分析、LMS模态、ODS测试，对内胆进行模态分析测试，并研究温度变化下固有频率的变化趋势。避免在加热工作状态下内胆的共振频率与洗涤泵的基础频谱相接近而产生共振现象，为洗碗机的设计提供指导。

2 洗碗机结构分析与共振机理

2.1 洗碗机结构分析

洗碗机内胆是连接底座与外壳的主要零部件，底座通过四脚与地面接触，洗涤泵、排水泵、发热盘、水杯均安装在底座上，内胆通过橡胶塞与底座相连达到密封状态，下部周边打有螺钉柱与底座紧紧连接，上部同样通过螺钉柱与外壳紧紧连接。内胆在整个振动传递过程中尤为重要，此外，洗碗机箱门下部通过铰链连接底座，振动同样会通过箱门传递出来。

2.2 洗碗机共振机理

振动的概念：物体（或物体的一部分）沿直线或曲线以一时间周期经过其平衡位置所作的往复运动。

共振是指系统受到外界激励时产生的响应，表现为大幅度的振动，此时外界激励频率与系统的固有振动频率相同或者非常接近。共振带来较大的振动噪声，应尽量避免[2]。

固有频率的定义：结构系统在受到外界瞬态激励产生响应时，将按特定频率发生自然振动，这个特定的频率被称为结构的固有频率[3]。

在无阻尼、单自由度系统中，其固有频率计算公式如下：

式中，k为物体的劲度系数，单位N/m；m为物体的质量，单位kg。

对洗碗机内胆和箱门的结构和装配情况分析，洗碗机的内胆、箱门振动属于受迫振动，洗碗机的洗涤泵属于自激振动。当两者的振动频率相近时则发生共振现象，使洗碗机的噪声大幅度增大，低频声变明显。

3 固有频率与温度关系

洗碗机由于其本身加热的特性，内胆的温度受发热盘加热的影响较大，考虑到温度有可能会影响固频属性，因此我们要分析温度与固频之间的关系，进一步确定内胆、外门的动力学特性。

为与样机实际运行状态相对应，测试各部件在不同运行时间的温度变化，测试点分别为内胆左侧面、内胆底盖加热盘处、内胆后侧面、排水泵处等。测试结果显示，内胆底盖加热盘处的温度最高可达60℃左右，内胆左侧温度最高为45℃左右；整个过程有两个明显的温度峰值，分别在20 min和60 min左右。温度与噪声随时间的变化基本一致，在20 min和50～60 min里都出现了两个峰值，两者有一定的联系，如图1、2所示。

图1 噪声峰值随时间变化曲线

图2 工作温度随时间变化曲线

图3 外门固频随温度曲线

图4 内胆固频随温度曲线

3.1 内胆与外门固频随温度的变化

测试单内胆及外门在不同温度下的固有频率。我们将主要影响的零部件内胆和外门单独取下，放入烘箱中，测试其30℃、40℃、50℃、60℃、70℃不同温度的固有频率，结果如图3、4所示。外门与内胆随温度的升高，固有频率降低。从30℃升至70℃，外门第三阶固频降低5 Hz，内胆第三阶固频降低13 Hz。内胆在装配情况下，固频略微升高（105～110 Hz左右），随着温度的升高，固频降低到100 Hz附近，从而产生共振，高阶次的固频受温度的影响更大。

3.2 不同材料其固频随温度的变化

将不同材料的样品件（PP、ABS、PP-GF23）放在不同温度下的烘箱中烘烤50分钟，测试30℃、40℃、50℃、60℃、70℃温度样品件的固有频率，测试结果如图5所示。

图5 不同材料固频随温度变化曲线

从图5中可以看出，随着处理温度的升高，不同材料制作的样件其固有频率变化规律不同。其中PP材料由于较大的收缩应力，一、二阶固频变化较大；材料ABS的固有频率随温度变化较小，一阶固频随温度升高到70℃只降低10 Hz左右，性能更稳定。固有频率主要跟质量与刚度有直接关系，工作温度附近的保温促使PP材料发生应力松弛，相应刚度也会随着有明显变化，间接影响了其固有频率的改变。

4 LMS模态、ODS测试

现场观察洗碗机内胆、外门振动明显，而单体泵测试其加速度有效值（表1）为8.93 mm2/s。通过分析，内胆、外门与底座通过螺钉连接，当洗涤泵的振动比较大时会传递到外门与内胆上。因此，我们采用模态、工作变形测试，进行具体分析。

表1 洗涤泵振动加速度随运行时间的变化

4.1 内胆、外门模态测试

本文基于LMS Impact软件，通过锤击法测试得到固频模态。对于锤击法有两种测量方式，一种是移动力锤，另一种是移动传感器。在此选择移动传感器的方法，避免丢失其他方向的模态[4]。首先根据内胆、外门几何特征合理进行简化，并画出试件的几何模型，几何模型由点、线或面构成，而模型中的点用于表征实际的测量位置。我们选取外门、外门上合适的点作为模态参考点。传感器作为响应传感器，移动传感器，敲击力锤得到外门在100.8 Hz的模态振型，内胆在108.8 Hz的模态振型，具体振型如图6所示。

图6 内胆、外门模态测试

4.2 内胆、外门ODS 工作变形测试

工作变形分析ODS（Operating Deflection Shapes）是指机构在工作状态下的动态特性分析，即描述工作情况下零件是怎样振动的[5]。利用振动ODS方法对结构进行振动分析时，要求结构具有比较规则的形状且能够用测量传感器的位置坐标来描述其外部轮廓，因此在洗碗机结构振动分析中，振动ODS方法比较适于对洗碗机的内胆、外门等较大型总成的振动分析[6]。

在工程上，利用振动ODS方法对结构进行振动分析时，一般测量参数是结构的振动加速度，而且测量点和参考点的振动加速度信号要同时测量，分析的关键是参考点的选择。通常，振动ODS的参考点要选择在振动敏感区，并且应与测量点的振动具有较好的相干性[7]。

本文基于LMS Spectral软件，根据内胆、外门几何特征合理进行简化，并画出试件的ODS分析结构模型，对各测点进行约束，使测点位置与模型对应。测得内胆、外门的工作变形，在100 Hz处外门底部、内胆左侧、后侧振动局部变形明显，如图7所示。

图7 内胆、外门ODS测试

结合模态、ODS测试结果，并考虑工作时温度变化对零部件固有频率的影响。需对具体零部件进行优化，使其固频改变错开共振频率。

5 模态仿真分析优化

以洗碗机内胆、箱门为研究对象，采用ANSYS模态分析的方法，根据结果进行结构优化设计，避免共振噪音的产生。ANSYS模态分析是分析物体结构固有频率的分析软件，属于有限元分析法。在分析前需要建立有限元模型，并定义材料属性，划分网格，设置约束类型和条件，给予一定范围的频率激励，求解洗碗机内胆前6阶的固有频率[8]。

5.1 仿真模型构建

基于三维软件creo2.0去除洗碗机内胆、箱门细小的倒圆角、倒角等不影响结构强度和性能的特征，减少网格划分数量，缩短计算的时间和资源，提高分析效率。

5.2 定义材料属性

将处理好后的模型导入workbench平台中，设置材料为塑料PP，定义材料属性：密度为0.90～0.91 g/cm3，泊松比为0.4203，弹性模量为0.89 GPa。

5.3 网格划分

为了既满足求解的网格精度要求，又能节约计算时间和计算资源，对洗碗机采用实体单元。

5.4 约束和载荷设置

在对洗碗机内胆进行模态分析时，设置约束的类型主要是内胆四周与底座固定连接的柱约束，底座给内胆的面约束。对洗碗机箱门设置约束类型主要是箱体对门的面约束，铰链连接的柱约束。载荷只需要设置激励的频率范围，设置为0～500 Hz，求解前6阶的固有频率。

5.5 仿真结果分析

根据ANSYS15.0仿真得到内胆、外门、内门前9阶固有频率。在外门处得到101 Hz的固有频率，同洗涤泵基频50 Hz接近，存在发生共振现象的可能，在内胆（111 Hz）与内门（94 Hz）均未有基频50 Hz倍频附近的固有频率，具体如图8所示。经上述实际分析洗碗机的内胆直接接触水，受水温的影响较大，因此应结合温度与固频的关系进一步优化设计，对存在共振风险的频率进行规避。

图8 优化前模态仿真

6 洗碗机结构优化

通过模态测试、ODS测试及模态仿真，结合不同材料固频随温度的变化规律进行如下具体分析。洗涤泵为主要激励源，但其随温度变化不大，因此针对低频噪音，通过优化传递路径上的主要结构。模态仿真与模态测试结果显示外门底部存在101 Hz左右的固频，易发生共振，结构强度较弱，故外门结构设计不合理。内胆通过模态仿真、测试存在111 Hz固频，而内胆直接接触循环水，水温的变化较大，水温最高达到70℃，结合温度与固频的关系，固频会降低10 Hz左右，内胆的固频由111 Hz变化为100 Hz，与激励源频率接近，发生共振，并传递低频噪音。因此具体结构优化为在外门底部、内胆后侧与左侧增加加强筋，增加其结构的刚度，保证其固频改变错开共振频率，为验证此方法，对加筋后的外门、内胆进行模态仿真，外门其固频变为120 Hz，内胆其固频变为130 Hz，如图9所示。这样即使在高温的情况下依旧能错开100 Hz激励频率，避免发生共振。

图9 优化后模态仿真

优化前的内胆存在111 Hz左右的固频，洗碗机工作时温度逐渐升高，最高温度到70℃，内胆的固频会随温度的升高降低10 Hz左右，其固频接近100 Hz，与洗涤泵之间发生共振。加筋优化后其内胆固频为131 Hz，在洗碗机加热至最高温度下，依旧保证其固频错开100 Hz共振风险，避免低频噪声通过内胆传播。将制作的加筋内胆与外门手板安装到整机上，现场体验低频声得到明显改善，强劲洗模式下采集洗碗机洗涤全程的频谱，在加热状态下各时间段的峰值稳定保持在30 dB(A)左右，峰值与总值差稳定在16 dB(A)以上，如图10所示。

图10 噪音频谱对比

7 结论

本文通过研究不同材料固有频率与温度的关系，并使用LMS测试软件得到其模态、ODS振型，再结合ANSYS15.0仿真软件，对洗碗机内胆及外门进行有限元模态分析，最终对内胆、外门进行局部加筋，改变其固频与振型，分析了工作温度对内胆、外门的固频影响，有效避免与激励源发生共振与低频噪音放大传递。

洗碗机在高温加热的状态下，经优化后的外门、内胆其固频为131 Hz、120 Hz，并且在温度逐渐升高的工作下保证错开洗涤泵100 Hz共振，音质得到明显改善，频谱显示在100 Hz的峰值由之前的44.28 dB降到30.75 dB左右，取得了理想效果，后续前期产品设计和仿真分析应考虑温度对材料结构性能的影响。