基于NX環(huán)境下洗衣機(jī)內(nèi)筒的應(yīng)力狀態(tài)分析

張磊 趙凱 汪印湘

（惠而浦（中國(guó)）股份有限公司 安徽合肥 230088）

基于NX環(huán)境下洗衣機(jī)內(nèi)筒的應(yīng)力狀態(tài)分析

張磊 趙凱 汪印湘

（惠而浦（中國(guó)）股份有限公司 安徽合肥 230088）

采用UG NX對(duì)洗衣機(jī)內(nèi)筒進(jìn)行三維建模，利用NX軟件的高級(jí)仿真模塊對(duì)洗衣機(jī)在高速脫水工況過(guò)程進(jìn)行分析模擬，獲得包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變等分布的準(zhǔn)確信息。直觀地預(yù)測(cè)出產(chǎn)品在脫水過(guò)程中最大的位移變化及可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。利用該軟件可以節(jié)約大量的人力物力，減少資源的浪費(fèi)，降低產(chǎn)品成本，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，提高企業(yè)的創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力。

NX軟件；高級(jí)仿真模塊；應(yīng)力分析

1 引言

洗衣機(jī)是家用電器中最為普遍的一種電器，隨著人民生活水平的提高，對(duì)于洗衣機(jī)的耐用性有更高的要求，這對(duì)企業(yè)提出了更高的挑戰(zhàn)及機(jī)遇。應(yīng)用高級(jí)仿真工具NX Advanced simulation對(duì)我們實(shí)際提出的方案進(jìn)行比較或驗(yàn)證，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，為最終方案的確定提供數(shù)據(jù)支持。

衣物在內(nèi)筒內(nèi)完成高速脫水過(guò)程，其組件由動(dòng)力輸入軸（法蘭軸）、軸承、三角支架（法蘭）和內(nèi)筒等組成。在高速脫水過(guò)程中，第一，內(nèi)筒由于衣物的不均勻分布產(chǎn)生偏心載荷，造成變形較大，不僅會(huì)加速組件損壞，影響使用壽命，而且會(huì)與其他部件造成干涉；第二，在動(dòng)力軸軸套與法蘭的連接處，由于材料不同及摩擦的作用會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，運(yùn)用NX軟件及Advanced Simulation模塊在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仿真分析是非常重要的。根據(jù)分析結(jié)果得出危險(xiǎn)部位及應(yīng)力分布，從而為進(jìn)一步改進(jìn)提供參考依據(jù)。

2 仿真分析過(guò)程

2.1 建立分析模型

洗衣機(jī)內(nèi)筒的CAD模型利用UG NX軟件建立，然后直接進(jìn)入到NX Advanced Simulation模塊中進(jìn)行模擬分析。進(jìn)入后首先要進(jìn)行模型清理，本次案例主要關(guān)注內(nèi)筒動(dòng)力軸及傳動(dòng)三腳架。因此：第一，對(duì)內(nèi)筒筒身小孔進(jìn)行刪除操作；

第二，內(nèi)筒與三腳架的連接采用的是螺栓連接，在本案例中，將其理想化為面與面粘合接觸。圖形見(jiàn)圖1。

2.2 單元網(wǎng)格及材料屬性

由于本例結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故各零件均采用四面體網(wǎng)格處理模型。各零件的材料屬性如表1。

2.3 定義邊界條件

內(nèi)筒結(jié)構(gòu)實(shí)際上為一懸臂梁結(jié)構(gòu)，動(dòng)力軸與固定端軸承相聯(lián)結(jié)。本案例不考慮軸承的變形，約束兩個(gè)軸承接觸圓柱面的X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。邊界約束如圖2所示。

2.4 施加載荷

洗衣機(jī)在高速脫水過(guò)程中受到2個(gè)力的作用，一個(gè)是來(lái)自洗滌衣物的離心力F1,另一個(gè)是來(lái)自偏心衣物在內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的偏心力F2。

式中：m1為洗滌衣物（含水）的質(zhì)量；r1為內(nèi)筒內(nèi)徑；ω為內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)角速度。

式中：m2為偏心衣物（含水）的質(zhì)量；r2偏心衣物相對(duì)于滾筒中心的偏心半徑；ω為內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)角速度。

本機(jī)型為三洋某型號(hào)8.5Kg容量洗衣機(jī)，根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，m1最大值取17Kg，m2最大值取1.2Kg。內(nèi)筒轉(zhuǎn)速ω為1400r/min。載荷分布見(jiàn)圖3。

3 結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果分析

計(jì)算完成后可得到：

（1）位移變形量最大值在筒身頂部（紅色區(qū)域），也是偏心所在處及其對(duì)稱(chēng)位置，最大變形量為5.850mm，位移變形見(jiàn)圖4。

（2）最大應(yīng)力為法蘭軸軸頸處及法蘭與筒身連接處，法蘭軸材料為45#鋼，其屈服強(qiáng)度為不小于355MPa，由圖可知，法蘭應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到屈服強(qiáng)度，且有較大余量，其應(yīng)力分布約為236～266MPa（黃色部分），可判定結(jié)構(gòu)可靠。應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。

（3）法蘭材料為硅鋁合金材料，其屈服強(qiáng)度為170MPa，由圖6可知，法蘭應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到屈服強(qiáng)度，其應(yīng)力分布約為113～127MPa（黃色部分），遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)可靠。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

圖3 載荷分布

圖2 邊界約束

圖4 位移變形量

圖5 應(yīng)力分布圖（1）

表1 零件材料屬性

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用 NX建立內(nèi)筒三維實(shí)體模型，使用其Advanced Simulation模塊計(jì)算了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)慣性力作用下的靜力分析，確定了零件及系統(tǒng)的可靠性，對(duì)進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能，降低成本有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)，我們需要明確的是，由于我們進(jìn)行了一部分模型簡(jiǎn)化處理，特別是筒身與前后蓋之間的接觸，內(nèi)筒與三腳架之間的鉚接，但這不影響我們對(duì)動(dòng)力輸入軸及三腳架的評(píng)估結(jié)果。后續(xù)我們將繼續(xù)做一系列研究工作。

[1] 李曉川，左言言. 洗衣機(jī)滾筒的有限元?jiǎng)討B(tài)分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2009（5）:27-29

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[3] 劉寶順. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005

[4] 張亞輝，林家浩. 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ).大連：大連理工大學(xué)出版社，2007.5

[5] 沈春根，王貴成，王樹(shù)林. UG NX7.0有限元分析入門(mén)與實(shí)例精講.北京：機(jī)械工業(yè)出版社

Stress analysis of inner bareel in washing machine based on the NX software

ZHANG Lei ZHAO Kai WANG Yinxiang
(whirlpool-China Electric Co., Ltd. Hefei 230088)

Adopting UG NX to conduct 3D modeling for the inner barrell of washing machine, using NX Nastran(Advanced Simulation) module proceed simulation analyzing, including the process of high speed water-extraction. to achieve the accurate information of deformation, stress, and strain and directly forecast the defects in the process of high speed water-extraction possibly. Combing the practical engineering experience, improve and optimize the structure parameter. By using this software can save a good deal of manpower and material resources, reduce the waste of resource, lower the cost of production, shorten the development period of production, quickly response the demands of market, improve the innovation ability and competitiveness of the enterprise.

NX software; Advanced Simulation module; Stress analysis