背景介绍
波轮洗衣机主要由电机、内筒、外筒、吊杆、平衡环等组成。在脱水过程中由于衣物不可避免的堆积在滚筒的一侧（尤其是比较硬的衣物，如牛仔裤等），产生偏心力，引起内筒与外筒的强烈撞击，从而产生巨大的振动和噪声。
波轮洗衣机
洗衣机内筒结构
为了减小脱水过程的振动，在内筒上端安装平衡环。在离心力作用下，平衡环内的液体会逐渐堆积到相反的一侧，从而抵消衣物的偏心力。
合理的平衡环设计可以保证内筒和外筒在脱水时不碰撞，或仅发生轻微的触碰。
洗衣机平衡环安装位置
平衡环内部结构
1
平衡环的多物理场仿真
平衡环内的液体晃动在CFD中属于自由液面两相流问题。而平衡环的运动轨迹则来自安装在底部的驱动电机，洗衣筒体悬挂系统（吊杆、弹簧减震器）共同作用的结果，既有转动也有摆动，属于典型的多体动力学MBD问题。平衡环的纠偏（减振）能力除了和平衡环内的液体晃动力有关，也和洗衣机的悬挂系统相关。两者是实时耦合，相互影响的。
以往的单物理场仿真方法要么假定平衡环的运动规律已知，或流体质心位置（液面形状）已知，来分析，显然不能反映真实的情况。
CFD+MBD模型
Altair AcuSolve+MotionSolve采用双向耦合的方法，考虑了液体晃动和机构运动的相互影响。
AcuSolve输入刚体的六自由度运动轨迹，输出液体晃动产生的力和扭矩。MotionSolve则根据输入的流体动态载荷确定下个时刻刚体的位移。两个求解器同时求解，并在每个时间步交换一次信息。
CFD+MBD的后台数据交换
2
平衡环的力学原理
由于初始偏心量e的存在，平衡环内的液体在离心力作用下逐步偏向一侧，旋转速度稳定后，液体重心产生了相对圆心的偏移量c。平衡环的纠偏能力正比于旋转速度，液体质量，液环偏心量c和非平衡力（衣物）产生的偏心量e。
平衡环的液体纠偏力
在电机加速过程中，液体由于惯性，会在平衡环内产生向后退的趋势，由此产生了一个反向液力扭矩。达到稳定转速后，液体贴近外侧，随着电机同步旋转，液体重心达到稳定的偏心量。
平衡环加速过程
平衡环稳定旋转过程
3
MBD的建模
在前处理MotionView中导入洗衣机的CAD模型，设置电机转速曲线，吊杆的安装位置和约束，弹簧的预紧力，内筒和非平衡质量块质量。平衡环设置为Wet Body，接收来自CFD的载荷。在耦合分析之前，可以先Deactive平衡环，单独分析MBD模型，验证一下参数设置的合理性。
洗衣机的MBD模型
MotionView前处理建模
平衡环设置为Wet Body, Forces=AcuSolveForce
电机速度曲线
4
CFD的建模
在前处理 HyperWorks CFD 中导入平衡环的CAD模型，初始化液位高度，打开动网格模型，自由液面Immiscible两相流模型。在Motion中打开External Code开关，设置平衡环的壁面为External Surface（此处Rigid body的名称必须和MBD模型一致），将运动的控制权交给MotionSolve。
5
平衡环振动仿真结果分析
脱水工况，电机在15秒内从静止达到额度转速。
脱水过程的振动（无平衡环）
脱水过程的振动（有平衡环，充液50%）
平衡环内液体晃动过程（蓝色为空气，红色为液体）
脱水过程的振动（有平衡环，隐藏内外筒）
平衡环逐步加速过程
振动幅度，红色-无平衡环，蓝色有平衡环
6
无挡板 VS 有挡板
没有挡板的平衡环（左图）液体在环向流动的阻力小，液体更快的偏移到一侧，在电机转速提高的过程中，液体重心和桶内衣物甚至可能出现在偏心的同一侧，产生瞬时过大的侧向力，导致内筒横摆过大，碰撞发生。
有内部挡板的平衡环（右图），液体偏移的响应速度降低了，液环逐步达到电机同步转速，进入到一个稳定的偏心的状态，起到持续可靠的纠偏作用。
平衡环液体晃动，红色-液体，蓝色-空气
7
挡板形状的影响
平衡环内设置挡板可以防止液体过快的集中到一侧，并增加液体旋转的阻力，从而提高减振效果。
有挡板外孔的，液体可以贴向外壁面，有助于提高最大纠偏力。为保证洗衣机停止工作后平衡环内液体可以自由在腔室之间恢复原位，挡板内孔高度需保证低于平衡环静止状态的自由液面。
内部挡板结构
液体越过挡板的瞬时状态
8
偏心率的影响
显然，在无偏心旋转的情况下，液体沿着圆周均匀分布，各个方向的力几乎抵消，无法产生侧向纠偏力。偏心率越大，液体更集中在一侧，会产生更大的纠偏力，但是偏心率过大会导致内筒和外筒的碰撞，必须控制在合理范围内。
无偏心率
偏心率=8mm
9
液体容积的影响
液体如充满容器就和刚体类似了，是没有纠偏效果的。通过研究发现：当液体充50~60%之间可达到最佳的纠偏效果。
充液50%的平衡环
平衡环纠偏力和液体容积的关系
10
系统级仿真
掌握了控制振动的原理，利用CFD+MBD耦合仿真的训练样本，下一步就可以通过Altair系统控制模块Activate来搭建一个洗衣机脱水过程的虚拟振动样机环境。
11
总结
以往的洗衣机的平衡环减振分析，需要预先假设偏心率或液环形状，不能考虑挡板设计参数的影响，只有CFD+MBD双向耦合分析方法才能考虑真实情况，且此方法经过实验验证，达到了理想的效果。
平衡环不仅减少了振动幅度，同时也降低了振动频率。下一步需要继续研究平衡环的内部挡板最佳形状，液体容积，和电机转速控制策略，以达到最优纠偏能力。
关于 Altair澳汰尔
Altair（纳斯达克股票代码：ALTR）是计算科学和人工智能（AI）领域的全球领导者，在仿真、高性能计算 (HPC) 和人工智能等领域提供软件和云解决方案。Altair 能使跨越广泛行业的企业们在连接的世界中更高效地竞争，并创造更可持续的未来。
公司总部位于美国密歇根州，服务于13000多家全球企业，应用行业包括汽车、消费电子、航空航天、能源、机车车辆、造船、国防军工、金融、零售等。
欲了解更多信息，欢迎访问：
微信
QQ
微博