一台滚筒洗衣机在1300 rpm高速脱水时,内部不平衡载荷产生的离心力可达数百g。如何在样机制造前精准预测整机振动、指导减振设计?本文分享一个基于MSC Adams-Marc联合仿真的家电行业实战案例。
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一、研发挑战:高转速与大容量的"两难"
洗衣机是典型的复杂多体系统:滚筒经轴承悬吊于箱体内,悬挂系统由弹簧、阻尼器、橡胶垫圈等高度非线性元件组成。近年来行业趋势是更大容量+更高脱水转速+更轻整机重量——这三个目标天然冲突:
脱水阶段衣物分布不均,产生明显的不平衡离心力,引发整机振动与位移;
橡胶垫圈(门封)兼具密封与隔振功能,其非线性刚度特性直接决定振动传递路径;
减轻重量、降低成本的诉求,让传统的"加强+加重"思路难以为继。
某头部家电企业在开发新一代大容量滚筒洗衣机时,静音与减振指标被列为核心卖点,必须在新品设计阶段就完成振动性能的精准预测。
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二、传统方法的局限:单一仿真工具的"盲区"
洗衣机动力学的难点,恰恰落在两类仿真工具的能力交界处:
此前该企业仅用衬套(Bushings)简化垫圈做MBD分析,无法捕捉真实的系统动力学行为,对减振设计决策的价值有限。
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三、技术方案:Adams-Marc联合仿真
1. 分工建模
Adams侧(系统级):建立包含滚筒、悬挂系统、箱体的整机多体动力学模型。弹簧采用预拉伸弹簧单元,阻尼器采用两级非线性阻尼特性,真实还原悬挂系统的非线性特征。
Marc侧(部件级):对橡胶垫圈开展精细非线性建模。通过单轴拉伸、平面拉伸、双轴拉伸与剪切等材料试验采集数据,拟合Mooney-Rivlin/Ogden 超弹性本构,获得可信的非线性材料参数;在Marc中完成垫圈的模态分析与非线性静力分析,提取其非线性刚度特性。
2. 联合仿真机制
基于MSC CoSim接口建立Adams与Marc求解器的实时数据交换:Marc 模型在交互节点上接收Adams传来的位移边界,并将计算的力/力矩回传给 Adams中的GFORCE元素,实现"系统级动态响应+部件级非线性细节"的双向耦合。
3. 关键工况设定
不平衡衣物载荷:500g偏心质量(触发最恶劣振动工况)
电机最大转速:1300rpm
评估对象:带/不带侧肋两种垫圈设计方案
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四、仿真结果与工程价值
联合仿真准确还原了整机在高速脱水工况下的动态行为,可直接输出可用于设计决策的量化指标:
1. 振动传递对比——相比简化衬套模型,联合仿真对滚筒加速度、位移的预测精度显著提升,且箱体前部受力明显降低,与实测趋势吻合;
2. 设计方案量化比选——基于总应变与接触法向力等指标,直接对比两种垫圈方案的耐久与密封风险,支撑结构决策;
3. 计算效率兼顾——刚性运动部件在Adams中求解,避免了整机全非线性有限元建模,单次瞬态分析成本可控,支持多方案快速迭代。
相比"试制—测试—改设计"的传统循环,虚拟仿真前置验证大幅减少了物理样机轮次,减振方案在图纸阶段即完成收敛。
这个案例的核心启发不限于家电行业——任何包含"运动机构+橡胶/大变形柔性部件"的整机产品(新能源汽车底盘衬套、机器人柔性关节、工程机械悬挂等)都面临同样的仿真困境。Adams-Marc联合仿真提供了"系统级效率+部件级精度"兼得的技术路径,让多学科工具链真正服务于整机正向设计。