平衡環(huán)內(nèi)的液體晃動在CFD中屬于自由液面兩相流問題。而平衡環(huán)的運動軌跡則來自安裝在底部的驅(qū)動電機，洗衣筒體懸掛系統(tǒng)（吊桿、彈簧減震器）共同作用的結(jié)果，既有轉(zhuǎn)動也有擺動，屬于典型的多體動力學MBD問題。平衡環(huán)的糾偏（減振）能力除了和平衡環(huán)內(nèi)的液體晃動力有關，也和洗衣機的懸掛系統(tǒng)相關。兩者是實時耦合，相互影響的。 

以往的單物理場仿真方法要么假定平衡環(huán)的運動規(guī)律已知，或流體質(zhì)心位置（液面形狀）已知，來分析，顯然不能反映真實的情況。

CFD+MBD模型

Altair AcuSolve+MotionSolve采用雙向耦合的方法，考慮了液體晃動和機構運動的相互影響。  

AcuSolve輸入剛體的六自由度運動軌跡，輸出液體晃動產(chǎn)生的力和扭矩。MotionSolve則根據(jù)輸入的流體動態(tài)載荷確定下個時刻剛體的位移。兩個求解器同時求解，并在每個時間步交換一次信息。

平衡環(huán)的液體糾偏力

平衡環(huán)加速過程

平衡環(huán)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)過程

在前處理MotionView中導入洗衣機的CAD模型，設置電機轉(zhuǎn)速曲線，吊桿的安裝位置和約束，彈簧的預緊力，內(nèi)筒和非平衡質(zhì)量塊質(zhì)量。平衡環(huán)設置為Wet Body，接收來自CFD的載荷。在耦合分析之前，可以先Deactive平衡環(huán)，單獨分析MBD模型，驗證一下參數(shù)設置的合理性。

洗衣機的MBD模型

MotionView前處理建模

平衡環(huán)設置為Wet Body, Forces=AcuSolveForce

在前處理 HyperWorks CFD 中導入平衡環(huán)的CAD模型，初始化液位高度，打開動網(wǎng)格模型，自由液面Immiscible兩相流模型。在Motion中打開External Code開關，設置平衡環(huán)的壁面為External Surface（此處Rigid body的名稱必須和MBD模型一致），將運動的控制權交給MotionSolve。

脫水工況，電機在15秒內(nèi)從靜止達到額度轉(zhuǎn)速。

脫水過程的振動（無平衡環(huán)）

脫水過程的振動（有平衡環(huán)，充液50%）

平衡環(huán)內(nèi)液體晃動過程（藍色為空氣，紅色為液體）

脫水過程的振動（有平衡環(huán)，隱藏內(nèi)外筒）

平衡環(huán)逐步加速過程

振動幅度，紅色-無平衡環(huán)，藍色有平衡環(huán)

沒有擋板的平衡環(huán)（左圖）液體在環(huán)向流動的阻力小，液體更快的偏移到一側(cè)，在電機轉(zhuǎn)速提高的過程中，液體重心和桶內(nèi)衣物甚至可能出現(xiàn)在偏心的同一側(cè)，產(chǎn)生瞬時過大的側(cè)向力，導致內(nèi)筒橫擺過大，碰撞發(fā)生。 

有內(nèi)部擋板的平衡環(huán)（右圖），液體偏移的響應速度降低了，液環(huán)逐步達到電機同步轉(zhuǎn)速，進入到一個穩(wěn)定的偏心的狀態(tài)，起到持續(xù)可靠的糾偏作用。

平衡環(huán)液體晃動，紅色-液體，藍色-空氣

平衡環(huán)內(nèi)設置擋板可以防止液體過快的集中到一側(cè)，并增加液體旋轉(zhuǎn)的阻力，從而提高減振效果。 

有擋板外孔的，液體可以貼向外壁面，有助于提高最大糾偏力。為保證洗衣機停止工作后平衡環(huán)內(nèi)液體可以自由在腔室之間恢復原位，擋板內(nèi)孔高度需保證低于平衡環(huán)靜止狀態(tài)的自由液面。

內(nèi)部擋板結(jié)構

液體越過擋板的瞬時狀態(tài)

顯然，在無偏心旋轉(zhuǎn)的情況下，液體沿著圓周均勻分布，各個方向的力幾乎抵消，無法產(chǎn)生側(cè)向糾偏力。偏心率越大，液體更集中在一側(cè)，會產(chǎn)生更大的糾偏力，但是偏心率過大會導致內(nèi)筒和外筒的碰撞，必須控制在合理范圍內(nèi)。

無偏心率

偏心率=8mm

液體如充滿容器就和剛體類似了，是沒有糾偏效果的。通過研究發(fā)現(xiàn)：當液體充50~60%之間可達到最佳的糾偏效果。

充液50%的平衡環(huán)

平衡環(huán)糾偏力和液體容積的關系

掌握了控制振動的原理，利用CFD+MBD耦合仿真的訓練樣本，下一步就可以通過Altair系統(tǒng)控制模塊Activate來搭建一個洗衣機脫水過程的虛擬振動樣機環(huán)境。

以往的洗衣機的平衡環(huán)減振分析，需要預先假設偏心率或液環(huán)形狀，不能考慮擋板設計參數(shù)的影響，只有CFD+MBD雙向耦合分析方法才能考慮真實情況，且此方法經(jīng)過實驗驗證，達到了理想的效果。 

平衡環(huán)不僅減少了振動幅度，同時也降低了振動頻率。下一步需要繼續(xù)研究平衡環(huán)的內(nèi)部擋板最佳形狀，液體容積，和電機轉(zhuǎn)速控制策略，以達到最優(yōu)糾偏能力。

Altair（納斯達克股票代碼：ALTR）是計算科學和人工智能（AI）領域的全球領導者，在仿真、高性能計算 (HPC) 和人工智能等領域提供軟件和云解決方案。Altair 能使跨越廣泛行業(yè)的企業(yè)們在連接的世界中更高效地競爭，并創(chuàng)造更可持續(xù)的未來。

公司總部位于美國密歇根州，服務于13000多家全球企業(yè)，應用行業(yè)包括汽車、消費電子、航空航天、能源、機車車輛、造船、國防軍工、金融、零售等。

欲了解更多信息，歡迎訪問：

www.altair.com.cn