一种烘干机的有限元分析及其优化设计

1 引言

雨伞收纳烘干设备契合现代快节奏生活需求，能减少湿雨伞导致的地面积水，降低行人滑倒风险，对保障市民生命健康安全具有积极意义；同时，其高度自动化的运行模式可智能完成操作流程，为市民提供便利，对推动社会生活智能化具有促进作用。此外，该设备有助于提升室内卫生水平与美观度，改善室内环境；与自动套伞机相比，无需使用塑料袋，可减少环境污染，符合国家环境保护的可持续发展战略。

本文基于上述需求，针对现有研究干燥方式单一、能耗高等问题，设计了一种自动烘干设备；与同类设备不同的是，本设备采用“离心脱水 + 热风烘干”工艺，主要由脱水模块、烘干模块及集水模块等组成。为了确保本设备设计的合理性、有效性、稳定性和安全性，本文重点对该设备进行脱水过程的振动分析和满水状态下的静力学分析，为进一步的优化设计提供理论和数据支撑数据。

2 有限元模型的建立

本文采用 Ansys Workbench 2022 R1 软件构建箱体有限元模型并进行分析 [7]。该软件为功能强大的工程仿真工具，可实现建模、参数设置、仿真运行及结果查看等操作，具备丰富的后处理功能以支持仿真结果的可视化与分析，且集成Mechanical、Fluent 等多个模块，能满足不同领域的仿真需求。

本设备为多零部件组成的复杂机械系统。在有限元分析中，需建立合理的力学模型，以提高计算分析效率并满足工程精度要求。基于装置的三维模型及尺寸，利用 SolidWorks 软件完成箱体建模，设备长、宽、高分别为750mm、650mm、 1350mm ，材料为ABS 塑料，各项属性参数分别为：弹性模量=2.0x10⁹(Pa) ，泊松比 =0.4 ，密度 =1200(kg/m³) ，且设备四个支撑腿采用全约束处理。

本研究采用自动网格划分方法，该方法可减少手动操作、提高建模效率，且能适配曲面、孔洞、边界层等复杂几何形状，保障网格质量与一致性，从而提升仿真结果的准确性和可靠性。网格单元数量过多会增加计算内存与时间消耗，对计算机配置要求更高；而数量过少则可能影响计算精度甚至导致计算失败，最终获得的网格数量为467525 个，网格类型四面体和六面体两种。

3 脱水过程振动分析

3.1 模态分析

模态分析 ^[1] 用于表征系统的固有频率及对应振型特征，无阻尼系统的模态分析所对应的动力学方程为，对于线性系统M 和K 为常数。位移形式为，则可以求得，进一步可求得方程的特征值为，与之对应的特征向量即为系统的模态向量。分析可知，模态分析的动力学方程中不含负载项，即模态分析与负载无关。

有限元分析包含前处理、求解及后处理三个主要阶段，其中前处理涵盖几何模型建立[2]、网格划分、边界条件设定及材料属性定义。在赋予ABS 材料属性、进行单元类型设置后自动进行网格划分，并对四个支撑脚进行固定约束并将模态求解阶数设定为20 阶进行求解。

通过求解得到 1 阶至 6 阶的模态振型如图 4 所示。从结果分析可知，该烘干设备上端的振动位移较大，进一步分析可知，造成该结果的主要原因为脱水模块、集水模块、烘干模块等主要结构都设计在机台的下端，且设备四周封板未设计加强筋等结构，因此，实际中需要在实际机台中增加加强筋等结构的设计。

3.2 随机振动分析

模态分析为随机振动分析提供基础数据，可提升结构在随机激励下响应特性描述与预测的准确性。实际工程中，常将二者联合应用 [3]，以全面评估结构的动态特性及响应规律。

在设置界面中将“保持模态结果”“计算速度”“计算加速度”均设为“是”，再进行求解。在求解项中插入定向变形，则得到对应的定向变形云图（如图5(a) 所示）；插入等效应力，则得到对应的等效应力云图（如图 5(b) 所示）；则插入定向速度，则得到对应的定向速度云图（如图 5 (c) 所示）；插入定向加速度，则得对应的定向加速度云图（如图5(d) 所示）。

从结果分析可知，在上述四种条件下设备上端前方区域振动响应幅均处于最大值，说明在该区域存在设计薄弱或者结构刚度分布不均、质量过大或阻尼不足等风险，需要采取对应的措施进行处理，如调整结构刚度（增加筋板、改变截面形状等）或质量分布，使固有频率远离激励主频，对薄弱区域增加厚度或使用高强度材料。

4 满水状态下受力分析

对集水装置满水状态下进行静态结构分析，可预测结构在不同工况下的力学行为，为结构设计与改进提供指导，以满足工程项目要求。对四个支撑脚施加固定约束后，需在集水装置底面施加经计算得到的载荷。本设计中，设备内部的集水装置内部尺寸为：长 430mm 、宽 250mm 、高 310mm ，则其容积为33.3L，重力为 326.6.2N。因此在静态结构栏中添加力，并在 Z 栏输入 -235.2N。在求解项中依次设置总变形、等效应力、等效弹性应变，则分别得到设备的总变形云图、等效应力云图及等效弹性应变云图如图6 所示。

从图 6 所示的结果分析可知，该设备受力变形最大的区域为脱水模块安装位置处，说明该区域应该采用加强筋或者采用刚度更大的材料替换现有材料，或者加大承载结构的零件尺寸，以改善该区域的受力集中的情况。

5 结论

本文设计了一种雨伞烘干机，通过 Ansys Workbench 2022 R1 软件开展了模态分析与随机振动分析，获取各阶振型及定向变形、等效应力等云图与数据，为结构优化提供了技术支撑。并针对该设备中的集水模块满水工况，进行了受力分析，得到了总变形云图、等效应力云图及等效弹性应变云图与数据，为优化设备的结构的设计提供了理论依据。

参考文献：

[1] 曾庆平 , 等 . 基于 ANSYS Workbench 的电机转轴的随机振动分析 [J]. 内燃机与配件 ,2018,(04):59-61.

[2] 孙乐萌 . 起落架关键部件的有限元分析及 VR 仿真实现 [D]. 上海 : 上海工程技术大学 ,2021.

[3] 陈舜臣 . 多尺度疲劳寿命预测方法在汽车零部件动态响应分析中的应用[M]. 北京 : 机械工业出版社 , 2025.

姓名 : 吴泽滨 (2001/2/13-) 性别男 民族 : 汉族 籍贯 : 广东省汕头市 , 学历：大专职称: 助理工程师