滚筒洗衣机在工作中，特别是脱水过程中，偏心衣物在筒内高速旋转，这会给内筒施加了巨大的离心载荷，由于这种载荷是洗衣机工作原理决定的，因而不可避免。随着洗衣机的更新换代，最高脱水转速随之提高，偏心衣物产生的更大的离心力不但给整机系统造成了更大的动载荷与噪声，同时也给内筒组件的结构强度提出更高的要求。因此，对直接承载的内筒组件的强度分析设计是保证整机安全性能的关键^[1]。

对于滚筒洗衣机的内筒组件设计，传统的方法为经验法，即经验设计与试验共同进行。采用试验方法不仅需要制作昂贵的物理样机，而且试验结果出现偶然性的几率也比较大。随着计算机仿真技术的发展，采用有限元方法进行结构的仿真分析得到广泛的应用和认可。随着消费者的需求增加，滚筒洗衣机最高脱水转速逐渐从主流的1 200 r/min转向1 400 r/min。将有限元分析软件Ansys/Workbench应用于新产品的滚筒洗衣机内筒组件的研究,为产品的设计与研发提供了先进的思路与方法。

1 滚筒洗衣机内筒组件的承载分析

滚筒洗衣机的内筒组件主要包括内筒、主轴、三脚架等。将其装配结构简化后，连接方式如图 1所示。主轴通过键槽式连接方式与三脚架保持同步转动，三角架则通过螺纹连接带动内筒转动，主轴的另一端通过轴承与皮带轮连接，旋转动力则依靠电机驱动。

滚筒洗衣机在工作中，由于水的洗涤作用，偏心衣物对内筒组件的作用力是复杂多变的^[2]。为了更好地计算内筒承载状况，需要将系统结构承载进行简化^[3]，文中通过对内筒施加点质量载荷(如图 2所示)，计算内筒在受力最恶劣工况下，各个部件的承载状况。根据洗衣机行业标准，选取承载点质量为0.5 kg，设置偏心质量位于内筒前端轴向方向1/4处。在最高脱水转速为1 400 r/min的工况下，计算离心力为

F=mrω²=2 625 N

三脚架受到了杠杆式的载荷，受力支点为与主轴的连接处。根据力的平衡条件，三脚架受到的外部载荷为竖直方向的离心力F与顺时针方向的弯矩M。其中，弯矩值为

主轴的受力相对比较复杂，如图 2所示，主轴在2个轴承的限制下，受到了轴承反作用的轴承力F₁与F₂。同时，根据力的平移原理，在主轴与三脚架的连接处承受着离心力F与弯矩M。按照力的平衡原理可以得：

最终求出轴承反作用载荷的大小：

F₁=7 010 N，F₂=9 635 N

2 有限元模型的建立与分析 2.1 Ansys/workbench的应用

随着有限元分析软件Ansys版本的更新，Ansys/Workbench的功能越来越完善，相对经典Ansys，借助其独特的优势，其应用也越来越广泛。Ansys/Workbench不但解决了经典Ansys在数据传输时复杂结构可能丢失线或者面的问题，而且在图形处理上通过DM可以方便地对模型进行各种编辑操作。同时，由于Ansys收购了专业的网格划分软件gambit，并且已经集成到了Ansys/Workbench，因而具有更强大的网格划分能力^[4]。将Ansys/Workbench应用到三脚架与主轴的强度分析，可以保证复杂结构的网格计算，从而得出精确的结论。

2.2 三维模型的建立

进行有限元分析的三维模型在理论上要求与实际结构尺寸最大限度的接近，但是对于特别复杂的模型，其精确的网格划分比较困难，从而会导致计算出的结果误差较大。根据模型分析的侧重点，需要将模型局部简化^[5-6]。在本文中，根据三脚架与主轴的实际尺寸与结构特点，建立三维的PRO/E模型，如图 3所示。

2.3 材料属性与网格划分

三脚架在组件结构中的作用主要为传递周向载荷。在保证强度要求的前提下，应尽量减小三脚架的质量。因此，三脚架的材料一般选择铸铝。铸铝的密度为2 700 kg/m³，弹性模量为70 000 MPa，最大许用极限为100 MPa。相对三脚架，主轴的强度要求较高。因此主轴一般采用更高强度的钢质材料。文中采用的钢制材料特性：密度为7 900 kg/m³，弹性模量为210 000 MPa，屈服极限为370 MPa。

在Ansys/Workbench中，可以针对不同的结构，智能地分辨出单元类型并且根据用户设置划分出大小适宜的网格^[7]。文中针对三脚架与主轴的结构特点，分别设置网格的相关度为38与27。通过定义关键部位适合的网格大小，最终将网格划分为图 4所示：三脚架划分为288 610个节点和183 618个单元，主轴划分为297 806个节点173 599个单元。

2.4 边界条件与载荷施加

对于三脚架来说，受约束的位置为与主轴的连接处，约束方式为固定约束，即fix support。根据三脚架的载荷计算结果，对三脚架的整体模型施加一个力F与一个弯矩M，其中力F的方向与三脚架一根支腿的轴线平行，弯矩M的方向与F一致，如图 5所示。主轴的承载相对比较复杂，根据主轴承受的载荷计算结果，将外部轴承的一端约束，在轴承位置施加2个bearing load，同时将离心力F与弯矩M施加至与三脚架的连接处，最终施加结果如图 5所示。

2.5 有限元分析结果

在预定的载荷以及边界条件的约束下，可在ANSYS/Workbench的求解器中求得三脚架与主轴的结构特性^[8-9]，如图 6、7所示。图 6可以看出：三脚架的最大应力值为62.4 MPa，低于材料的屈服极限100 MPa，最大应力主要分布在加固筋的底端。三脚架在长期的使用之后，三脚架的失效位置亦分布在加固筋底部及附近的两侧，文中计算结果与实际情况完全符合。从图 7可以看出：主轴的最大应力分布在后部轴承的端部位置，即主轴加工的退刀槽位置。主轴承受的最大应力值为262 MPa，低于屈服极限值370 MPa，满足使用的要求。

3 三脚架的最大应力对比分析

通过分析偏心质量在内筒不同位置时三脚架受到的应力响应情况，可以判定三脚架承受的最大应力，并可以得出三脚架的周期性承载特性^[10]。本文中将偏心块在内筒中每次旋转20°，即偏心力F间隔20°旋转一次，转至120°为一个周期。根据内筒受到离心力的方向，确定三脚架与主轴的载荷方向，通过施加相同条件的约束，在Ansys/workbench环境下得出三脚架的最大应力计算值。计算分析结果可以看出，离心力在不同位置时，三脚架具有应力分布特性。通过各个角度下的最大应力值绘制最大应力对比图，如图 8所示。从三脚架应力特性周期性变化上可以看出，最大应力在0°与120°的位置，即偏心力的方向与三脚架的一条支腿的轴线平行时，承受应力值最大。

4 结论

1) 根据力的平移原理，得出滚筒洗衣机内筒组件(三脚架与主轴)承受的载荷及约束，计算出在最高脱水转速1 400 r/min的工况下，三脚架与主轴承受的最大应力分别为62.4 MPa和262 MPa，均在许用值之内。

2) 根据有限元的计算结果可以看出：主轴的最大应力分布在靠近三脚架的轴承约束的端部；三脚架的最大应力分布在加强筋的根部。计算的最大应力分布位置均与零件在长期使用后的实际失效位置一致。

3) 通过三脚架不同载荷位置的对比分析得出了三脚架周期性承载特性，而且偏心衣物造成的离心力的方向与三脚架其中一根支腿的轴线平行时，三脚架承受的应力值最大。