基于形貌優化的洗衣機內筒前法蘭設計

The Design of Washing Machine Drum Front Based on Topography Optimization

熊瑞

基于形貌優化的洗衣機內筒前法蘭設計Word版.doc

(珠海格力電器股份有限公司、廣東珠海、519070) 

摘  要: 本文以洗衣機內筒前法蘭為研究對象，對其進行形貌優化，以最大程度地減小工作過程中內筒前法蘭區域的變形，即最大程度提高內筒前法蘭區域剛度，同時滿足生產制造工藝的要求。形貌優化采用Altair公司Hyperworks/Optistruct優化模塊進行前法蘭形貌優化，通過對內筒前法蘭三維模型劃分網格、選定優化區域，設置加強筋分布等相關參數，經過優化計算得到合理形狀和加強筋分布結構。優化后的加強筋區域徑向變形減小9.1%，前法蘭徑向最大變形減小13.6%，整個內筒剛度得到提升，振動特性也得到提高，達到了設計要求的同時，提供了一種全新的內筒前法蘭形貌。該方法提高了設計效率，為洗衣機零部件的結構優化設計提供了設計參考。

關鍵詞: 內筒前法蘭  形貌優化  剛度  加強筋

Abstract:  In order to decrease the deformation of washing machine drum front, and maximize the stiffness, a topography optimization method is used to optimize the drum front in this paper, meanwhile the structure must be satisfied with manufacture requirement. The drum front’s 3D model is meshed, the area where should be optimized and the parameters of enforcement rib are defined, an updated drum front with optimized enforcement rib is gotten by software Hyperworks/Optistruct optimization module. Compared to the structure before optimization, the radial deformation of new enforcement rib area declines by 9.1%, the drum front declines by 13.6%, the stiffness and vibration characteristics of the drum is increased, achieving the design objective, providing a new morphology of drum front at the same time. This design method of drum front enhances design efficiency and provides reference for further design of the relevant washing machine components.

Key words: Drum Front，Topography Optimization，Stiffness，Enforcement Rib 

 

1 概述

結構優化技術是當前CAE技術發展的熱點，在學術研究領域，變密度法、均勻化法、水平集法等各種準則法被廣泛運用，相關商業軟件開發速度也非常快，其中比較著名的就是Altair Optistruct，它是一個面向產品設計、分析和優化的有限元和結構優化求解器，以有限元法為基礎，進行拓撲、形貌、尺寸、形狀及自由尺寸、自由形狀等相關優化，這些優化方法在保證結構剛強度和考慮加工工藝等因素的前提下，可以實現結構輕量化、性能最佳等功能，有效的提升產品開發效率。結構優化階段一般包括概念設計階段、基本設計階段及詳細設計階段^[1]，如下圖1所示。

結構優化技術在工業界的應用逐漸成熟，從早期汽車零部件輕量化設計、飛機機身機翼的板、桿、梁及蒙皮尺寸優化，迅速發展到汽車、飛機、船舶的結構布局優化，電子產品的結構件及連接優化，建筑物等結構布局等^[2-4]。因為Optistruct優化方法的快速準確的優勢，它同樣被廣泛運用于更新周期短、競爭激烈、不斷追求產品性能提升及成本控制的家電行業。

 

圖1  結構優化階段

 

本文結合滾筒洗衣機運行時的實際工況，首先確定仿真分析邊界條件和載荷大小，通過分析得出原型內筒前法蘭的變形情況，然后通過與設計人員討論形貌優化設計的可設計區域與非設計區域，再確定加強筋最小筋寬、起筋角度、加強筋高度等，最后以設計區域內最大形變處法向位移最小為目標函數，通過Optistruct形貌優化分析，得出內筒前法蘭最優起筋參數及全新形貌。

2 形貌優化分析方法及有限元分析

2.1形貌優化設計方法

形貌優化是一種形狀最優化的方法，即在板型結構中尋找最優加強筋分析的概念設計方法，通過指定單元節點在其法向的移動量，不斷調整有限元網格模型的結構形狀，直到得到滿足設計目標最優化的移動節點區域的最佳組合。較多用于設計薄壁結構的強化壓痕，使結構輕量化的同時能夠滿足剛強度和頻率等方面要求，并且生成優化后的最佳形貌。形貌優化尤其適合于板殼結構，可以靈活地設置起筋類型和起筋形狀，已經被廣泛應用于提高各種沖壓板件的性能，如減小變形，提高模態頻率，減小振動等。

對于滾筒洗衣機前法蘭優化區域的形貌優化，其設計流程為：對初設計模型進行網格劃分、施加邊界條件，設定優化設計目標及約束條件，定義起筋區域及起筋參數，如加強筋最小筋寬、起筋角度、加強筋高度及加強筋對稱方式等，如圖2所示，就可以從Topography Optimization模塊中得出加強筋布置方案，如果設計不能滿足要求，則返回重新修改相關參數，重新設計，此種設計思路縮短了改善加強筋分布設計周期，同時優化了設計流程。整個設計流程大致如圖3所示^[5]。

 

圖2  加強筋參數                 圖3  形貌優化流程圖

 

2.2 原型內筒有限元分析

滾筒洗衣機洗滌桶可分為外筒和內筒，外筒盛裝洗滌液，內筒摩擦洗滌物，內筒組件是滾筒洗衣機的核心部件，如圖4，主要由內筒前法蘭、內筒滾筒、內筒后法蘭、腳架和軸組成，在新產品設計中，為用戶便于投放和取出洗滌物及洗滌大件物品，一般對內筒筒口進行大口徑設計，但口徑太大，內筒前法蘭的剛強度存在較大風險，因為洗衣機工作過程中，衣物難免會在滾筒中不均勻分布，產生較大偏心，在偏心載荷作用下，容易使前筒口位置變形超出設計預留余量D1，與門封或者外筒摩擦；前法蘭的剛度也直接影響著整個內筒的剛度，如果內筒剛度不足，洗衣機工作過程中內筒后法蘭和內筒壁變形太大，而超過安全空間D2也容易造成與外筒摩擦甚至碰撞，產生振動和內外筒損傷^[6]，如圖5所示。

 

圖4  某型號滾筒洗衣機內筒       圖5  某型號滾筒洗衣機內外筒易碰點

因此，對滾筒洗衣機內筒進行剛度優化是非常有必要的，本文采用Hyperworks優化模塊對內筒前法蘭部進行形貌優化，從而對內筒前法蘭進行全新結構設計和性能優化。

2.2.1 有限元建模

滾筒洗衣機內筒壁一般為0.6mm左右，屬于薄壁結構，厚度尺寸遠遠小于整個模型尺寸，故對整個內筒均采取抽中面方式，并采用shell單元進行網格劃分，三腳架和軸采用四面體solid單元進行網格劃分，內筒組件各部件材料力學性能參數如表1所示。

表1 內筒組件材料的主要參數

參數名稱	材料	密度	泊松比	彈性模量
前法蘭	不銹鋼	7850kg/m3	0.3	207GPa
內筒壁	不銹鋼
后法蘭	不銹鋼
軸	不銹鋼
三腳架	鑄鋁ADC12	2590kg/m3	0.34	70.6GPa

 

2.2.2 載荷與約束施加

滾筒洗衣機主要工作工況為洗滌和脫水，在高轉速脫水工況下，衣物容易形成不均勻分布，會產生較大變形，甚至與外筒摩擦碰撞。滾筒在工作過程中主要受到兩個力作用，一是來自于洗滌衣物的離心力，另一個是不能完全擺平衣物的偏心力，這個偏心力又稱激振力，是引起洗衣機振動的主要根源，它的大小和作用時間直接影響著滾筒洗衣機噪聲大小及使用壽命。

離心力：        （1）

偏心力：        （2）

式中，m1為含水洗滌衣物質量；m2為偏心質量；r1為內筒內徑；r2為偏心相對于滾筒旋轉中心的偏心半徑，為內筒選擇角速度。

由滾筒洗衣機脫水原理可知，含水衣物在一定離心力F1的作用下，緊貼滾筒內壁面，內筒中不能完全均勻布的衣物在滾筒旋轉過程中產生了離心力F2，在實際測試中，偏心質量m2、偏心半徑r2是不確定量，不能有效測算偏心力，因此取一個近似方法替代，偏心質量取比較惡劣工況下的偏心值，r2可以近似地等同于洗衣機內筒內徑，而偏心力遠遠大于內筒本身重力，因此內筒本身重力的影響可以忽略不計^[7]。

通過不同偏心載荷工況下三腳架、軸、內筒剛強度對比分析發現，最高轉速脫水情況下，偏心載荷施加于兩個提升筋中間靠近內筒前法蘭位置，模擬接近真實試驗工況，也是滾筒式洗衣機可靠性試驗中比較惡劣的工況，如圖6所示。

 

圖6  有限元模型及加載工況

2.2.3 后處理分析

在上述較為惡劣工況下，對原型內筒進行計算分析，由圖7、8、9可知，內筒前法蘭徑向最大位移為3.162mm，前法蘭中間區域徑向最大位移為2.75mm，整個內筒徑向最大位移為5.46mm。理論上只要內筒變形在內外筒間距預留的安全范圍內，都能符合要求，但必須要考慮影響內外筒間距的另一個物理因素，加工、裝配公差的影響，由于環境溫度不同、操作工人的差異、現場生產設備等因素的影響，生產出的零件一致性可能不好，零部件之間的裝配也存在差異，某些零件自身也可能出現變形從而影響裝配。因此出于對內外部因素的考慮，預留一定的設計余量。

 

     圖7  優化前前法蘭應變云圖       圖8  優化前易碰點1X向應變云圖

 

   圖9  優化前內筒應變云圖

3 前法蘭形貌優化及改進方案

3.1 前法蘭形貌優化

首先將大口徑前法蘭的原始模型結構樣式改為初始模型結構如圖10、11，作為后續形貌優化的基礎。考慮到優化過程中，連接的零部件越少越好，簡化掉軸和三腳架，約束改為三腳架與內筒連接的6個螺栓位置，偏心載荷和離心載荷施加位置和大小保持不變，粉紅色表示設計區域，藍色為非設計區域，如圖12所示。

從內筒剛度角度出發進行內筒前法蘭的形貌優化設計，通過不斷的設置試驗參數進行計算機模擬優化，并且反復對比，從而合理布置設計區域加強筋，以滿足設計要求，現將內筒前法蘭形貌優化的目標函數、狀態變量、設計變量設計如下：

①目標函數：最小化設計區域內變形較大節點的徑向位移值。

②狀態變量：加強筋比例beadfrac值小于0.5。

③設計變量：設計空間上自動生成并與單元法向相關的形狀變量。

 

  圖10  原始模型  

      

            圖11  初始模型       圖12  設計域與非設計域網格

 

根據現有滾筒洗衣機前法蘭結構及反復設置優化參數輸出的結果對比，如圖13所示，為不同對稱形式類型下對應的形貌和內筒最大徑向位移值，最后結合對比情況和實際經驗，定義加強筋高度為5mm，加強筋最小寬度5mm，起筋角度60°，起筋方向定義為沿單元法向，對設計域采用“cyc lin+rad”對稱模式，周期對稱中周期重復數目UCYC設置為12，如圖14所示，設置多節點位移響應，此響應值最小化為形貌優化的目標。

 

圖13  不同形貌優化參數結果對比云圖

 

   

   

圖14  形貌優化參數設置

 

3.2 改進方案

根據形貌優化結果云圖，利用Altair Ossmooth工具將優化結果轉換為導.stp格式的CAD模型，圖15為前法蘭迭代成型過程圖，參考導出后模型尺寸，并結合生產工藝等可制造性問題及成本等要求，對導出后模型進行幾何重建和適當倒角等修正，從而改進方案，如圖16所示。

 

圖15  前法蘭設計域9次迭代成型過程

 

圖16  改進方案流程

 

4 優化結果驗證

結合形貌優化后得到的內筒前法蘭，重構三維模型并結合上述一致的惡劣設計工況，對比優化前后結構的徑向最大變形，并對比市場上較為常見內筒前法蘭剛度，優化后結構的徑向變形滿足設計要求，并且內筒剛度有較大幅度提升，如圖17、18、19所示。

 

圖17  優化后前法蘭應變云圖  圖18  優化后易碰點1X向應變云圖

 

圖19  優化后內筒應變云圖

 

圖20  某內筒前法蘭結構     圖21  某內筒前法蘭應變云圖

 

 

圖22  某內筒前法蘭易碰點1X向應變云圖     圖23  某內筒應變云圖

 

  表2 內筒主要位置最大變形對比

	前法蘭	加強筋	內筒	易碰點1	易碰點2
優化前內筒	3.16	2.75	5.46	1.641	3.1
優化后內筒	2.73	2.5	5.34	1.595	2.88
某機型內筒	3.55	2.8	5.6	1.78	3.1
變化	13.6%↓	9.1%↓	2.2%↓	2.8%↓	7.1%↓

表2為形貌優化前后、市面常見某型號滾筒式洗衣機內筒前法蘭及內筒主要位置最大變形對比，圖20-23某型號內筒應變云圖，通過對比發現內筒主要部位剛度得到了提升，內筒組件系統振動特性也更優。圖24為經過內外筒疲勞、振動驗等長期可靠性試驗測試后的內筒前法蘭。 

圖24 形貌優化后內筒前法蘭         圖25 內筒主要位置變形對比

5 結論

本文論述了滾筒式洗衣機內筒前法蘭的一種優化設計方法，通過對其進行形貌優化，設定合理優化區域、加強筋類型及相關尺寸參數，得到了合理的加強筋布局前法蘭結構，通過仿真計算與分析得出以下結論：

1）前法蘭加強筋的合理布局提供了一種全新樣貌，有效地增強了前法蘭的剛度，優化后結構徑向最大變形為2.73mm，相比于優化前減少了13.6%，效果明顯，前法蘭剛度的增強也增大了內筒的剛度，滾筒的兩個與外筒易碰點位置變形得到減小，降低了摩擦碰撞的風險，內外筒逆相位模態安全系數得到提高，內筒系統的振動特性也進一步加強。

2）通過利用HyperWorks中OptiStruct模塊的形貌優化功能實現了內筒前法蘭加強筋的重新布局，不但有效提高了前法蘭和內筒結構的剛度，而且優化了設計開發流程，大幅縮短了產品開發周期，并且為以后洗衣機零部件結構的優化設計提供了新思路。

6 參考文獻

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[2] 王健. 具有形狀和應力約束的連續體結構拓撲優化及其在框架結構設計中的應用. 工程力學,2002,19（4）:99-103.

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[7] 李曉川. 滾筒洗衣機振動噪聲CAE分析與控制. 南京：江蘇大學, 2009