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基于Co-simulation技术的洗衣机平衡圈仿真分析及优化设计

2019/11/11    来源:Altair论文集    作者:王翔  邓德喜  张华  熊明  高弘锡      
关键字:王翔  邓德喜  张华  熊明  高弘锡  
本文以波轮洗衣机平衡圈为研究对象,采用Altair公司最新Co-simulation流固耦合仿真技术,对平衡圈进行仿真分析和优化设计。

1 概述

    波轮洗衣机在脱水过程中,衣物在脱水桶内分布不平衡会产生偏心载荷。脱水桶高速转动时,偏心载荷产生的离心力相当于受迫振动中的激振力,会使脱水桶乃至洗衣机整机剧烈振动。这种振动不仅产生很大的噪声,也会大大降低洗衣机机械和电器件的寿命。为解决这一问题,现有波轮洗衣机使用一种填充有液体的平衡圈来弥补脱水桶筒高速旋转时的不平衡。平衡圈被安装在脱水桶顶端,随着脱水桶一起转动。当衣物质量产生不平衡后,平衡圈内部液体会向偏心位置对面方向流动,形成类似月牙状的分布形态,从而实现自动纠偏效果。

平衡圈液体理论分布

图1 平衡圈液体理论分布

波轮平衡圈

图2 波轮平衡圈

    这种平衡圈发明于19世纪末,它的设计参数基于许多理论假设,并且各参数之间的相互关系目前还没有被深度挖掘。由于涉及固体动力学和瞬态流体力学现象,精确预测平衡圈的运动规律并进一步对其进行优化设计是非常困难的。传统的平衡圈设计往往依赖于大量的物理实验。这一过程需要耗费非常多的时间及成本,并且获取的指导设计的信息也相当有限。

    随着CAE技术的发展,在虚拟环境中进行洗衣机零部件的模拟仿真变的越来越普遍。但是鉴于上文提及的难点,对平衡圈进行动态仿真仍然存在较低的可行性,幸运地,Altair提供了一种实时的双向流固耦合仿真(Co-simulation)技术以及对应的产品,可以很好地解决此类问题。本文即基于该技术,以小天鹅某型号波轮洗衣机为研究对象,进行了平衡圈的动态仿真、特性研究和优化设计。

2 Co-simulation技术

    作为Altair独立的多体动力学求解器和流体力学求解器,MotionSolve和AcuSolve之间建立了一种实时数据交互机制,即Co-simulation接口,为涉及复杂多体运动和流体现象的耦合问题提供了理想的解决方案。这种方式大大提高了多体模拟系统的精确度,使得计算结果更可靠。

Co-simulation实现原理

图3 Co-simulation实现原理

    在这种解决方案中,MotionSolve计算出多体系统中刚体的位移量和转动量,然后AcuSolve求解流体模型,获取作用在这些刚体上的力和力矩。两个求解器之间通过TCPsocket协议实时交换彼此计算的数据信息。这也意味着,MotionSolve和AcuSolve可以被部署在不同的服务器,不同的平台上,两者之间仍然无障碍地进行数据交互,这大大提高了仿真分析的效率。

    通常,利用该技术进行多体动力学-流体力学耦合仿真的基本步骤如下:

    1)分别建立多体动力学模型和流体力学模型,定义为Co-simulation类别问题,两个模型需要设定一致的时间步长;

    2)为了有效交互信息,多体动力学模型中需要指定接收作用力的刚体,流体力学模型中需要指定接收强制位移的面,两者需要使用统一的名称标示,方便被识别。

    3)依次启动MotionSolve和AcuSolve,中间件acuMSI会同时被启动,如果未出现数据通讯故障,Co-simulation计算正式开始。

    值得注意的是,时间步长的确定需要综合考虑实际工况、总计算时间、流体模型尺寸和精度要求等因素。以本文研究的平衡圈为例,旋转速度越高,其单位时间内通过的转角越大,为保证AcuSolve计算的收敛性,时间步长要足够小,但越小的时间步长带来的计算规模越大,这几乎是矛盾的,需要作好权衡。

3 平衡圈初步分析

    3.1 多体模型的建立

    考虑到实际波轮悬挂系统较为复杂,为减小耦合仿真的规模,提升计算效率,建立多体动力学模型时,对其进行一定程度的简化。在MotionView中建立如图所示的模型,桶部装与虚拟大地之间,平衡圈和桶部装之间,偏载质量块与平衡圈之前均建立对应连接副。特别地,为模拟波轮洗衣机悬挂方式,平衡圈和桶部装之间建立4个带阻尼弹簧。对桶部装和偏载块两个刚体分别赋予质量和惯量信息。平衡圈作为接受耦合力的刚体,不需要被赋予真实质量,但其尺寸要与实物一致。除此之外,还需要设置阻尼弹簧的相关参数。这些参数的值对结果影响颇大,可以通过实验与仿真相结合的方式确定。

多体动力学模型

图4 多体动力学模型

    考虑到计算规模,设置计算时间为5s,加速时间2s,最高转速200rpm,时间步长1ms。

    3.2 流体模型的建立

    提取出平衡圈中流体域的几何模型,按4mm控制尺寸,在HyperMesh中生成面网格和实体网格,导入到AcuConsole中,作为网格模型,如图所示。

平衡圈网格模型

图5 平衡圈网格模型

    在问题描述中,设置分析类型为Transient,流动方程为NavierStrokes,湍流方程为SpalartAllmaras,网格类型为ALE,多相流方程为LevelSet。

    材料模型中,使用Air和Water两种材质,其中Water需设置合适的密度和粘度系数,以模拟盐水的作用。

    边界条件设置中,流体域设置为Air-Water多相流,并且考虑重力作用。所有的面均作为ExternalCodeSurface,并且RigidBody的名称需要和多体模型中耦合刚体的名称一致。另外需要设置一些参数,如耦合方向,速度类型,网格位移类型等。

    为了和中间件acuMSI保持通信,需要定义ExternalCode相关参数。

    同样地,设置求解总时长为5s,时间步长为1ms。

    3.3 初步分析

    经过耦合求解后,可以在HyperView和AcuField中分别查看多体和流体结果。如图所示,为平衡圈质心在平面内某方向的位移曲线。很显然,初始阶段,随着转速不断增加,位移峰值越来越大,出现最大值之后开始衰减,并伴随转速不变而趋于一个稳态值。在不考虑流体作用力情况下,平衡圈稳态位移为36.2mm,考虑流体作用力情况下,稳态位移为25.5mm,减小29.6%。说明AcuSolve计算得到的流体力作用到了平衡圈上,抵消了部分偏载产生的离心力作用。

平衡圈动态位移曲线

图6 平衡圈动态位移曲线

    同样地,在AcuField中查看平衡圈中液体的分布情况,如图所示。由图可知,0s-2s随着转速增加,盐水越过流道内部挡片向一个方向流动,并逐渐堆积。3s后,加速停止,转速保持恒定,由于阻尼的作用,盐水分布先呈现一定程度紊乱,而后稳定,表现为平衡圈内盐水在偏载180°方位堆积最多,0°方位堆积最少,这和理论计算形态一致。

平衡圈内部液体动态分布

图7 平衡圈内部液体动态分布

4 平衡圈优化设计

    由上节分析可知,平衡圈经过加速后,最大位移值往往趋于稳定。该值越大,波轮磨桶、产生振动和噪音的可能性越大。因此,在对平衡圈进行设计时,稳态位移是重要的性能考察指标之一。

    影响平衡圈动态性能的主要因子一般有流道形状、挡板分布形式、挡板形状、液位及介质等,本文以挡板形状为考察因子,进行DOE实验以及优化设计。

    4.1 DOE实验设计

    平衡圈挡板形状可通过长a,宽b,高c共3个尺寸来确定,因此选定为DOE实验的3个因子,初始值分别为10mm,18mm和16mm。

    考虑到3因子以及交互作用,本文选用正交表L8(27)进行DOE实验。每个因子两个水平,稳态位移作为响应数据。3个因子分别置于1,2,4列,其他列为交互列,生成实验表如下。

表1 正交实验表

正交实验表

    4.2 DOE分析

    通过仿真进行DOE实验并获取响应结果。对各因子进行主效应和交互作用分析结果如下图所示。

主效应分析和交互作用分析

图8 主效应分析和交互作用分析

    由主效应图可知,对响应输出,即平衡圈稳态位移影响最大的因子为a,且是正相关的,其次是c,与输出结果负相关,影响最小的因子是b。进行显著性分析和排序可知,因子a与因子b之间的交互作用同样较为重要。考察各因子和交互因子的优先程度,选定最优组合。使用最优组合挡板参数重新建模,进行耦合仿真,获取到平衡圈稳态位移值为18.7mm,初始式样为25.5mm,改善26.7%,效果明显。

5 实验验证

    为验证仿真方法和优化结果的准确性,本文在现有波轮洗衣机上进行了实验验证。

    5.1 实验方法

    分布制作初始式样和优化后式样的平衡圈手板用于实验验证。为方便观察内部盐水流动形态,制作手板时使用透明材质,如图所示。

    在波轮洗衣机中放置500g偏载块,无衣物负载,程序设置为脱水2分钟,使用加速度传感器进行数据采集

平衡圈手板和实验设备

图9 平衡圈手板和实验设备

    5.2 实验结果

    实验发现,平衡圈运动方式与仿真结果类似,其中的盐水动态流动和分布形态也与仿真结果较为一致。

    将采集到的加速度数据进行相应处理,可以得到平衡圈关联的位移曲线,如下图所示。由图可知,位移曲线的趋势与仿真获取的趋势是一致的,也证明了仿真模型是可靠的。

平衡圈加速度与位移曲线

图10 平衡圈加速度与位移曲线

    根据实验数据,优化后式样平衡圈稳态位移相对于初始减小了21.6%,这与仿真结果的26.7%较为接近,进一步证明了优化结果和仿真方法是正确有效的。另外,可以发现,无论是初始平衡圈还是优化的,稳态位移的仿真值均比实验值大的多,这与本文使用了简化的多体动力学模型以及相关参数的设置有关系,后续会对模型进行进一步调整和优化。

平衡圈稳态位移结果对比

图11 平衡圈稳态位移结果对比

6 结论

    本文以波轮洗衣机平衡圈为研究对象,采用Altair公司最新Co-simulation流固耦合仿真技术,对平衡圈进行动态特性分析和优化设计。结果表明,该技术方法能地模拟出平衡圈内部液体的动态分布,获取动态位移。实验结果证明了该方法是准确准确和有效的。与传统的平衡圈设计方法相比,采用Co-simulation技术进行设计,不仅能够获取平衡圈动态特性,而且能快速、低成本的方式得到优化方案。

责任编辑:程玥
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