滚筒洗衣机动态特性建模与结构参数优化研究

摘要

由于整机结构配置问题与偏心衣物载荷产生的离心惯性力的作用，滚筒洗衣机在工作时的振动和噪音较大，并由此影响洗衣机的安全运行、使用寿命以及人机环境质量。研究滚筒洗衣机的动态特性，并为洗衣机结构动态优化设计提供指导和方法工具，对于提高我国自主研发洗衣机创新型产品的能力，意义深远。
　　 悬挂系统和箱体是组成滚筒洗衣机的两大主要部件。改进机械结构、达到抑振降噪的目的，重点是开发新的悬挂平衡系统。按照由简入深的顺序，利用Lagrange力学方法，先后为1/2悬挂系统、整体悬挂系统进行数学建模，揭示其动力学实质和筒体质心的平面运动规律。实验研究表明，将简体视为刚体的建模假设和采用平面模型研究滚筒洗衣机悬挂系统的振动性能是可行的。简体质心运动轨迹的仿真分析和实验结果基本吻合，证明了所建模型的有效性。继而，在ADAMS环境下，建立滚筒洗衣机的虚拟样机。基于虚拟样机，对悬挂系统配重的修正方法、结构参数的动态优化设计等进行一系列规范化研究；找到了表征洗衣机工作平稳性的目标函数及其对结构设计参数变化的灵敏度关系曲线。
　　 箱体是承载洗衣机悬挂系统的基础框架，其动态特性直接影响洗衣机的整体性能。利用ANSYS软件，建立箱体的有限元模型。基于计算模态，建立箱体的振动测试模型。通过有限元分析和模态实验，得到滚筒洗衣机箱体的固有频率及振型，由此识别出结构中存在的薄弱环节和可能被破坏区域。再者，利用ANSYS和ADAMS实现悬挂系统与箱体组成的洗衣机多体系统的刚，柔耦合建模。通过瞬态动力学仿真分析，进一步考察箱体的振动性态，从而为箱体结构的改进设计以及悬挂系统的参数优化结果验证，提供一种可行、便捷的方法或手段。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 洗衣机结构设计研究概况

1.2.1 结构设计研究内容

1.2.2 当前研究中存在的问题

1.3 振动系统动力学建模方法

1.3.1 振动系统的简化

1.3.2 建立力学模型

1.3.3 建立数学模型

1.3.4 线性化处理

1.3.5 系统振动在不同域上的表示

1.4 振动系统动力学模型修正方法研究综述

1.4.1 模型修正基本原理

1.4.2 常用模型修正方法对比分析

1.4.3 灵敏度分析

1.5 课题研究内容

1.6 论文的组织结构

参考文献

第二章 滚筒洗衣机1/2悬挂系统动力学建模

2.1 建立力学模型

2.2 建立数学模型

2.2.1 系统势能

2.2.2 系统动能

2.2.3 耗散函数

2.2.4 1/2悬挂系统的振动方程

2.3 脱水阶段简体振动性能分析

2.3.1 1/2悬挂系统运动方程解耦

2.3.2 推导1/2悬挂系统动力响应的求解公式

2.3.3 参数化研究简体质心的运动规律

2.4 弹簧刚度取值范围的确定

2.4.1 弹簧垂向刚度值的确定

2.4.2 弹簧侧向刚度值的确定

2.5 本章小结

参考文献

第三章 滚筒洗衣机悬挂系统数学建模与实验验证

3.1 建立力学模型

3.2 建立数学模型

3.2.1 系统势能

3.2.2 系统动能

3.2.3 系统的耗散函数

3.2.4 系统的运动微分方程

3.3 实验验证

3.3.1 实验设置

3.3.2 结果分析与讨论

3.4 基于数学模型的数值试验研究

3.5 本章小结

参考文献

第四章 基于虚拟样机的配重修正方法研究

4.1 建立虚拟样机

4.2 配重位置的经验设计

4.3 洗衣机虚拟样机静平衡的求解

4.3.1 初始条件分析

4.3.2 静平衡算法

4.4 配重位置初始输入值的确定

4.4.1 配重位置初始输入值对仿真结果的影响

4.4.2 配重位置初始输入值的修正

4.5 配重质量对洗衣机简体质心的影响

4.6 本章小结

参考文献

第五章 滚筒洗衣机悬挂系统参数优化

5.1 旋转机械的振动特点

5.2 振动控制技术

5.3 洗衣机工作平稳性分析

5.4 洗衣机动态性能优化

5.4.1 多种目标函数的对比分析

5.4.2 优化设计变量的选取

5.4.3 悬挂系统参数优化

5.5 本章小结

参考文献

第六章 洗衣机箱体的模态分析和动力响应分析

6.1 洗衣机箱体建模

6.1.1 建模背景及意义

6.1.2 建模方案

6.1.3 箱体有限元模型的建立步骤

6.2 洗衣机箱体的静力学分析

6.3 洗衣机箱体的计算模态分析

6.3.1 改进前箱体的计算模态

6.3.2 改进后箱体的计算模态

6.4 洗衣机箱体的模态实验研究

6.4.1 实验方法及测试系统简介

6.4.2 箱体的测点布置

6.4.3 动态测试参数设置

6.4.4 实验数据处理与分析

6.5 箱体的瞬态动力学分析

6.5.1 瞬态分析的求解设置

6.5.2 恒定脱水转速下测点在不同方向的位移响应

6.5.3 不同脱水转速下不同测点的动力响应

6.6 滚筒洗衣机的噪声与振动控制

6.7 本章小结

参考文献

附表

第七章 总结与展望

论文创新点

致谢

攻读博士学位期间取得的学术成果