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摘要：通过对内胆底板进行结构优化，优化后的洗碗机内胆整体振动响应优于原设计，且洗碗机噪声由原来的52.72dB降低为38.87dB，达到了噪声低于39dB的设计要求，提升了该产品的市场竞争力。
关键词：洗碗机;振动噪声;数值模拟;结构优化
1引言
近年来随着人民生活水平的提高，家用洗碗机逐步得到普及，振动和噪声成为用户关注和选择家用洗碗机的重要性能指标之一[1]。传统洗碗机的减振降噪往往依靠大量的实验进行振动噪声的研究和产品结构的改进，不仅浪费人力物力，而且研发周期较长。随着计算机技术的发展，借助数值仿真技术与少量试验相结合的方法，能够极大的提高产品的设计效率，节约研发成本，缩短研发周期[2]。为降低某款家用洗碗机的振动和噪声，提高其市场竞争力，通过试验与数值仿真相结合的方式，分析某洗碗机结构振动和噪声的产生源头，从结构共振和振动噪声能量传递入手，对该洗碗机的内胆和水杯结构进行结构优化，降低洗碗机的振动和噪声。
2洗碗机结构和工作原理
某家用洗碗机三维结构，如图1所示。其工作原理为，水通过入水口进入洗碗机水杯，通过电热元件对水加热，然后洗涤泵将水杯中的水抽出，热水流通过一个或多个喷臂高压喷出，喷臂在水流的反作用力下旋转，使水喷到洗碗机内部各个角落，冲洗餐具，在高温水流和洗涤剂作用下，可有效除去餐具上的油污。最后水仍旧落入水箱，冲洗下来的渣子被网格挡住，油渍飘浮在水面上，通过排污口排出。这样热水可循环使用，以节约用水和能耗。
3样机振动噪声测试
3.1样机噪声测试
该洗碗机的降噪目标是将噪音控制在39dB以下，从而使该产品的噪声达到国际领先水平。依据：《IEC60704-1：1997家用及类似用途电器发出的气载噪声的测试规程—通用要求》和《IEC60704-2-3：2005家用电器确定空气噪声的试验方法—对洗碗机的特殊要求》，对洗碗机样机进行噪音测试[4]，测试结果，如图2所示。从噪音频谱上可以看出，噪音较大处主要集中在100和200Hz附近，噪音的分贝值达到了52.72dB。为了了解洗碗机哪些结构辐射噪声，需要测试洗碗机外壳的振动。
3.2样机振动测试由于洗碗机箱体外壳和内胆之间有减振隔音装置，其工作时主要从箱门一侧辐射噪声，因此振动测试主要集中在箱门一侧。振动测试位置分布，如图3所示。
样机在正常洗涤工作状态下，外壳振动测试结果，如图4所示。通过外壳的振动测试，发现振源（噪音源）主要来自于洗碗机的下部，并且振动的主要频率也是100Hz和200Hz左右。从外壳的振动测试结果表明，振动主要来源于下面的电机及泵体。而振动频率是由于电机转动而产生的受迫振动还是某些结构发生共振引起的，需要通过对洗碗机进行模态分析确定。通过模态分析可以了解洗碗机部件在某易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，从而可以预测结构在此频段内，在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。
4洗碗机部件模态分析
4.1洗碗机模态分析材料参数洗碗机箱体主要结构材料有ABS塑料、PP+T20塑料、钢材和EPDM橡胶，其材料属性，如表1所示。
4.3内胆模态分析
洗碗机噪声主要由电机噪声、洗涤噪声、流体噪声组成，引起洗碗机噪声的原因比较复杂，通过对内胆进行模态分析，研究噪声产生的主要原因是否是由于内胆的共振。由于洗碗机结构较为复杂，为便于进行有限元分析，需要对洗碗机结构进行适当的简化。由于内胆主要为薄板结构，因此内胆采用壳单元进行网格划分，划分后单元数为29142，用质量块简化托盘、碗栏组件、水杯、电机的质量，内胆与质量块之间用梁单元连接。洗碗机内胆和有限元模型。内胆前十阶模态分析结果，内胆整体各阶模态频率较小，前十阶模态频率最大为52.7Hz较100Hz小很多。因此洗碗机产生较大振动和噪声的主要原因并不是内胆整体的共振。
4.4内胆底板模态分析
由于电机安装在内胆底板上，因此需要关注内胆底板的共振频率。为此，对内胆底板进行模态分析，其前十阶模态频率。由于电机的激励频率为100Hz，因此需要关注底板100Hz附近的频率和模态。底板前十阶固有频率中第五阶模态的固有频率114Hz，较接近100Hz。因此，为减小电机激励对底板共振的影响，需要对底板进行结构优化，可通过添加加强筋的方式增加底板的刚度，从而提高底板第五阶模态的固有频率。
5洗碗机结构优化设计
5.1内胆底板结构优化方案
利用Optistruct软件通过加入加强筋的方式对内胆底板进行结构优化。在优化内胆底板时，需要综合考虑底板的对称性和排渣的通畅性。以底板的固有频率为目标函数，施加对称约束和方向约束。通过计算得到结构优化的结果，如图4（a）所示。其中一个表示筋深度10mm，另一个表示0，中间表示（0～10）mm之间。由于这个结果很不规则，只能作为加筋的参考。
根据上面的加筋思路，结合实际，前面原来小横筋去掉，加3条纵筋，后面原来宽筋去掉，加2条纵筋，左右各加1条横筋，宽度均为40mm，深度5mm，优化后内胆底板布局，如图4（b）所示。底板第五阶模态优化前后对比。优化前模态（左）freq=114Hz、优化后模态（右）freq=128Hz，第五阶模态固有频率增加了14Hz，结构优化后的内胆底板的第5阶模态固有频率显著增加，能够有效的避免内胆底板的共振。为了解内胆底板优化后内胆整体的振动响应情况，需要对内胆整体进行谐响应分析。利用RADIOSS软件对内胆底板优化后的内胆整体进行谐响应分析。内胆在100Hz激励下优化前后内胆特定位置的振动响应对比曲线。从内胆整体的谐响应仿真分析结果可以看出，在几乎所有频率段优化设计的振动响应都是优于原始设计的。
5.2优化后样机噪音测试
根据之前的试验和仿真分析，通过优化内胆底板结构来避免内胆底板的共振，从而降低洗碗机的振动和噪音。对优化后的洗碗机样机进行噪音测试，结果，如图10所示。从图10的样机声功率级曲线可以看出，优化后的样机噪声为38.87dB<39dB，满足该洗碗机减振降噪的设计要求，这里所采用的洗碗机减振降噪方案是可行的。
6结论
（1）振源（噪音源）主要来自于洗碗机的下部的电机和水泵，并且振动和噪声的主要频率是100Hz和200Hz左右;（2）通过对洗碗机箱门进行模态分析，结果表明箱门结构的固有频率对洗碗机的噪声有较大的影响;（3）洗碗机产生较大振动不是由洗碗机内胆整体的共振引起的，而内胆底板的第五阶模态为114Hz比较接近100Hz，内胆底板的共振对结构振动和噪声的影响较大;（4）通过对内胆底板进行结构优化有效提高了内胆底板的第五阶模态频率，避免了内胆底板的共振;（5）通过优化洗碗机内胆底板结构，优化后样机噪声为38.87dB，满足<39dB的设计要求。
参考文献：
[1]李曾婷.洗碗機能效水效标准：门槛高，仍在讨论中[J].电器，2018（06）：23.
[2]邓雅静.洗碗机：家电行业的下一个洗衣机？[J].电器，2018（06）：14-16.
[3]鲁建国.家用洗碗机已建立较为完整的质量标准评价体系[J].家电科技，2017（10）：14.
[4]李曾婷.洗碗机能效标准已报批，2017年底有望发布[J].电器，2017（06）：28-29.
[5]徐明.洗碗机立柱支撑分析与优化设计[J].日用电器，2015（09）：61-64.
[6]卢铭娜.对智能控制在家用洗碗机UL美国市场安全认证中的思考[J].中外企业家，2015（20）：186.
关键词：洗碗机;振动噪声;数值模拟;结构优化
1引言
近年来随着人民生活水平的提高，家用洗碗机逐步得到普及，振动和噪声成为用户关注和选择家用洗碗机的重要性能指标之一[1]。传统洗碗机的减振降噪往往依靠大量的实验进行振动噪声的研究和产品结构的改进，不仅浪费人力物力，而且研发周期较长。随着计算机技术的发展，借助数值仿真技术与少量试验相结合的方法，能够极大的提高产品的设计效率，节约研发成本，缩短研发周期[2]。为降低某款家用洗碗机的振动和噪声，提高其市场竞争力，通过试验与数值仿真相结合的方式，分析某洗碗机结构振动和噪声的产生源头，从结构共振和振动噪声能量传递入手，对该洗碗机的内胆和水杯结构进行结构优化，降低洗碗机的振动和噪声。
2洗碗机结构和工作原理
某家用洗碗机三维结构，如图1所示。其工作原理为，水通过入水口进入洗碗机水杯，通过电热元件对水加热，然后洗涤泵将水杯中的水抽出，热水流通过一个或多个喷臂高压喷出，喷臂在水流的反作用力下旋转，使水喷到洗碗机内部各个角落，冲洗餐具，在高温水流和洗涤剂作用下，可有效除去餐具上的油污。最后水仍旧落入水箱，冲洗下来的渣子被网格挡住，油渍飘浮在水面上，通过排污口排出。这样热水可循环使用，以节约用水和能耗。
3样机振动噪声测试
3.1样机噪声测试
该洗碗机的降噪目标是将噪音控制在39dB以下，从而使该产品的噪声达到国际领先水平。依据：《IEC60704-1：1997家用及类似用途电器发出的气载噪声的测试规程—通用要求》和《IEC60704-2-3：2005家用电器确定空气噪声的试验方法—对洗碗机的特殊要求》，对洗碗机样机进行噪音测试[4]，测试结果，如图2所示。从噪音频谱上可以看出，噪音较大处主要集中在100和200Hz附近，噪音的分贝值达到了52.72dB。为了了解洗碗机哪些结构辐射噪声，需要测试洗碗机外壳的振动。
3.2样机振动测试由于洗碗机箱体外壳和内胆之间有减振隔音装置，其工作时主要从箱门一侧辐射噪声，因此振动测试主要集中在箱门一侧。振动测试位置分布，如图3所示。
样机在正常洗涤工作状态下，外壳振动测试结果，如图4所示。通过外壳的振动测试，发现振源（噪音源）主要来自于洗碗机的下部，并且振动的主要频率也是100Hz和200Hz左右。从外壳的振动测试结果表明，振动主要来源于下面的电机及泵体。而振动频率是由于电机转动而产生的受迫振动还是某些结构发生共振引起的，需要通过对洗碗机进行模态分析确定。通过模态分析可以了解洗碗机部件在某易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，从而可以预测结构在此频段内，在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。
4洗碗机部件模态分析
4.1洗碗机模态分析材料参数洗碗机箱体主要结构材料有ABS塑料、PP+T20塑料、钢材和EPDM橡胶，其材料属性，如表1所示。
4.3内胆模态分析
洗碗机噪声主要由电机噪声、洗涤噪声、流体噪声组成，引起洗碗机噪声的原因比较复杂，通过对内胆进行模态分析，研究噪声产生的主要原因是否是由于内胆的共振。由于洗碗机结构较为复杂，为便于进行有限元分析，需要对洗碗机结构进行适当的简化。由于内胆主要为薄板结构，因此内胆采用壳单元进行网格划分，划分后单元数为29142，用质量块简化托盘、碗栏组件、水杯、电机的质量，内胆与质量块之间用梁单元连接。洗碗机内胆和有限元模型。内胆前十阶模态分析结果，内胆整体各阶模态频率较小，前十阶模态频率最大为52.7Hz较100Hz小很多。因此洗碗机产生较大振动和噪声的主要原因并不是内胆整体的共振。
4.4内胆底板模态分析
由于电机安装在内胆底板上，因此需要关注内胆底板的共振频率。为此，对内胆底板进行模态分析，其前十阶模态频率。由于电机的激励频率为100Hz，因此需要关注底板100Hz附近的频率和模态。底板前十阶固有频率中第五阶模态的固有频率114Hz，较接近100Hz。因此，为减小电机激励对底板共振的影响，需要对底板进行结构优化，可通过添加加强筋的方式增加底板的刚度，从而提高底板第五阶模态的固有频率。
5洗碗机结构优化设计
5.1内胆底板结构优化方案
利用Optistruct软件通过加入加强筋的方式对内胆底板进行结构优化。在优化内胆底板时，需要综合考虑底板的对称性和排渣的通畅性。以底板的固有频率为目标函数，施加对称约束和方向约束。通过计算得到结构优化的结果，如图4（a）所示。其中一个表示筋深度10mm，另一个表示0，中间表示（0～10）mm之间。由于这个结果很不规则，只能作为加筋的参考。
根据上面的加筋思路，结合实际，前面原来小横筋去掉，加3条纵筋，后面原来宽筋去掉，加2条纵筋，左右各加1条横筋，宽度均为40mm，深度5mm，优化后内胆底板布局，如图4（b）所示。底板第五阶模态优化前后对比。优化前模态（左）freq=114Hz、优化后模态（右）freq=128Hz，第五阶模态固有频率增加了14Hz，结构优化后的内胆底板的第5阶模态固有频率显著增加，能够有效的避免内胆底板的共振。为了解内胆底板优化后内胆整体的振动响应情况，需要对内胆整体进行谐响应分析。利用RADIOSS软件对内胆底板优化后的内胆整体进行谐响应分析。内胆在100Hz激励下优化前后内胆特定位置的振动响应对比曲线。从内胆整体的谐响应仿真分析结果可以看出，在几乎所有频率段优化设计的振动响应都是优于原始设计的。
5.2优化后样机噪音测试
根据之前的试验和仿真分析，通过优化内胆底板结构来避免内胆底板的共振，从而降低洗碗机的振动和噪音。对优化后的洗碗机样机进行噪音测试，结果，如图10所示。从图10的样机声功率级曲线可以看出，优化后的样机噪声为38.87dB<39dB，满足该洗碗机减振降噪的设计要求，这里所采用的洗碗机减振降噪方案是可行的。
6结论
（1）振源（噪音源）主要来自于洗碗机的下部的电机和水泵，并且振动和噪声的主要频率是100Hz和200Hz左右;（2）通过对洗碗机箱门进行模态分析，结果表明箱门结构的固有频率对洗碗机的噪声有较大的影响;（3）洗碗机产生较大振动不是由洗碗机内胆整体的共振引起的，而内胆底板的第五阶模态为114Hz比较接近100Hz，内胆底板的共振对结构振动和噪声的影响较大;（4）通过对内胆底板进行结构优化有效提高了内胆底板的第五阶模态频率，避免了内胆底板的共振;（5）通过优化洗碗机内胆底板结构，优化后样机噪声为38.87dB，满足<39dB的设计要求。
参考文献：
[1]李曾婷.洗碗機能效水效标准：门槛高，仍在讨论中[J].电器，2018（06）：23.
[2]邓雅静.洗碗机：家电行业的下一个洗衣机？[J].电器，2018（06）：14-16.
[3]鲁建国.家用洗碗机已建立较为完整的质量标准评价体系[J].家电科技，2017（10）：14.
[4]李曾婷.洗碗机能效标准已报批，2017年底有望发布[J].电器，2017（06）：28-29.
[5]徐明.洗碗机立柱支撑分析与优化设计[J].日用电器，2015（09）：61-64.
[6]卢铭娜.对智能控制在家用洗碗机UL美国市场安全认证中的思考[J].中外企业家，2015（20）：186.