洗衣机振动和噪声分析与模拟

由于洗衣机内的衣物分布不均匀，会产生我们能察觉到的振动和噪声。要优化这类常见家用设备的设计，对运动和声音背后动力学的模拟会是一项非常有价值的工具。

日常生活中，人们往往会再买一些常用的现代化设备，比如洗衣机。家里有了洗衣机之后，我们就可以省去将衣服送到自助洗衣店或自己动手洗的时间，能有空做其他家务，当然更棒的是可以好好休息一下。

假设今天是洗衣日，而且您很幸运，家里有一台洗衣机。您是怎么注意到衣服洗好了呢？常见的判断标志是周围安静下来了。

洗衣时，您的洗衣机极可能会产生振动和噪声，这是由于洗衣机内部衣物分布的不均匀和机器的结构属性造成的。我们现在有一个多体动力学模型，使您能够通过仿真来分析这一常见的问题。

分析洗衣机中的振动和噪声

洗衣机装配体中的振动模型描述了一个横轴式便携洗衣机，模型几何对应于洗衣机装配体中的不同部件（含外壳），以不同颜色区分显示。

洗衣机的几何

洗衣机部件分别表示为以下颜色：

在这个多体动力学示例中，我们假定将外壳模拟为易弯曲的壳层，并使用刚性实体模拟洗衣机的其他部件。此外，我们假定衣服相对滚筒的位置不变。

下图解释了由关节和弹簧连接的机器不同部件之间的关联细节。

结  果

在特征频率分析中，一种模式关注桶的平移，另一种显示了它沿纵轴的旋转。每个特征模式都突出了外壳的对应变形，这些变形相对于桶的运动较小。

桶的平移模式

桶的旋转模式

下一组图显示了桶的位移大小，以及整个运行期间不平衡放置衣物的角度。这里，红色和蓝色分别代表了轨迹的最初时间和最终时间。

为确认机器旋转期间在洗衣机外壳中产生的振动，我们可以执行一个瞬态分析，下图描述了右侧壁上的一个点在多个方向上发生的外壳变形。

接下来，我们可以分析右侧壁中部一个点上的外壳法向加速度，以测量侧壁发出的噪声。这些结果在下方上侧的绘图中进行了展示。同时，下侧的绘图描述了该加速度的频谱。

我们可以注意到侧壁振动的频率主要在0-30Hz的范围内，峰值在1.67Hz附近，这可以看作激发频率。这与我们根据滚筒的惯性质量比和设定旋转速度下的载荷推断出的频率相符，但有意思的是，也出现了高于激发频率的侧壁振动频率值，这将发射额外的噪声。

出于这种考虑，可以将洗衣机设计为仅在较低的、人耳捕捉不到的频率发出噪声。对材料的选择和设计也必须保证洗衣机的结构足够稳固，可以限制所有频率下的振幅，以防止零件失效。