空调器配管的有限元分析

153129
排气管 蒸发器出口 蒸发器出口 回气连接
摆动
管摆动 管摆动 管摆动
重新设计的排气管与原排气管的区别 : (1) 状形上的区别如图 4 所示 。
图 2 原始模型位移分布云图
313 改进模型结果分析 改进模型指对排气管进行重新设计 。关于配
管的设计 ,应注意以下事项 : (1) 为使应力变小 ,应尽量减小配管相对压缩
阶次 31
32
33
34
35
36
频率 ( Hz) 93180
98122
105107 110108 110197 112119
振型 蒸发器出 回气连接 回气连接 蒸发器出 四通阀出 蒸发器出 描述 口管摆动 管摆动 管摆动 口管摆动 口管摆动 口管摆动
37
38
39
40
119115
128162
139161
718 ×103
0128
胶脚 (橡胶)
10
816 ×102
0148
3 计算结果与分析
图 1 有限元模型
压缩机激励用复数形式表示如下 : Fx = - 210 i , Fy = 160 , Fz = - 50 , Mz = 1000
213 材料参数 本工程分析使用了铜 、钢 、橡胶三种材料 , 各
对模型的裸管系统 (即不加配重) 进行模态分 析 ,分析无配重情况下的管路固有模态 。由于高 频时 , 模态变得十分密集 , 分析结果失去意义 , 根 据所求取频率的最大值至少为所关心频率两倍的 原则 ,我们着重考虑低频模态 。对裸管模型 ,计算 了前 20 阶模态 ,如表 2 。
对于裸管模型 , 排气管有三阶频率 45180Hz 、 46198Hz 、52167Hz 与压缩机的工作频率 4713Hz 比 较接近 。
4 结论
图 5 改进模型位移分布云图
(1) 配重的施加对管路系统的振动特性有所 改善 ,配重施加前排气管有三阶模态靠近压缩机 正常工作频率 , 施加配重后只有回气管一阶模态 靠近压缩机正常工作频率 。
(2) 原 排 气 管 的 最原管有所 下降 , 为 221573MPa , 下降了 2117 % , 应力值下降 比较明显 。
1 前言
空调器的管路布置不当 , 有可能在压缩机正 常工作频率附近出现一些固有模态或者谐频 , 从 而产生共振 ,在某些部位产生过大的位移与应力 。 应力过大 , 会导致配管爆裂 ; 位移过大 , 管路系统 将出现过大的振动 ,振动传递到整机 ,将影响整机 的性能 。
用 ANSYS 对窗机的配管系统进行模态分析 与动响应分析 。当需要结构的固有频率时 , 模态 分析很有用 。对于配管系统而言 , 应该设计得使 它具有这样的一些频率 , 即使管路在压缩机正常 工作时不会以它的任一基本模态进行振动 。此计 算的动响应分析为谐响应分析 , 该分析类型用于 研究随时间谐变化载荷的影响 。管路系统在压缩 机周期载荷的作用下产生并通过配管传递振动 。
压缩机旋转不平衡离心力的大小 , 取决于偏 心质量和偏心距的大小 。该离心力可分解为如图 1 所示 x 、y 、z 方向上的 3 个分量 ,以及扭矩 , 它们 分别会引起压缩机的上 、下振动和左 、右振动 。压
收稿日期 : 2002 —03 —25
62 流 体 机 械 2002 年第 30 卷第 11 期
缩机的激励由压缩机振动参数转化得到 , 即先利 用三菱振动测试法求得若干点的振幅与加速度 , 然后再由响应求取 。
拟 。压缩机与胶脚的接触用邻近区域模拟 。
材 料
表 1 材料参数
弹性模量
密度
(MPa)
(kg/ m3)
泊松比
配管 (铜)
1101 ×105
819 ×103
0137
压缩机 (钢)
2 ×105
机正常工作频率 47Hz 。其位移云图与应力云图 分别如图 2 、3 所示 。
最大位移为 01572152mm ,发生在回气管上 。 最大应力发生在排气管弯角处 , 位置如图 3 中所示 ,最大值为 281847MPa 。
Vol. 30 ,No. 11 ,2002 FLUID MACHINERY 63
改进模型的位移云图如图 5 所示 。改进模型 的最大位移为 01585606mm ,发生在回气管上 。
64 流 体 机 械 2002 年第 30 卷第 11 期
最大应力为 221573MPa , 发生在排气管上 , 位置在 图 6 中标出 。
Vol. 30 ,No. 11 ,2002 FLUID MACHINERY 61
文章编号 : 1005 —0329 (2002) 11 —0061 —04
空调器配管的有限元分析
杨 靖
(广州华凌空调国际开发部 ,广州 511430)
摘 要 : 介绍了用 ANSYS 对空调器配管系统进行振动原因的分析 ,研究管路系统的振动特性 ,计算配管在压缩机周期 载荷作用下所产生的破坏效果 。 关键词 : 空调器 ;振动分析 ;CAE ;ANSYS 中图分类号 : TM925112 文献标识码 : A
阶次 1
2
3
频率
( Hz) 1143
2112
3143
振型 回气连接 回气连接 排气管 描述 管摆动 管摆动 摆动
表 3 原始模型的前 40 阶模态
4
5
6
7
3167
3196
4132
4175
排气管 排气管 回气管
摆动 摆动
摆动
排气管 摆动
8
6161
回气管 摆动
9
7165
四通阀 摆动
10
8182
排气管 摆动
参数如表 1 所示 。 214 边界条件
约束三个胶脚底面 (与底座的接触面) 的所有 自由度 。将蒸发器出口管与蒸发器的焊接处端以 及冷凝器入口管与冷凝器的焊接处端的自由度全 部约束住 。管路系统中的所有焊接用刚性连接模
ANSYS 提 供 了 很 多 模 态 提 取 方 法 。使 用 Block Lanczos 或子空间技术能使大多数模态分析 得到很 好 的 解 。本 计 算 的 模 态 分 析 使 用 Block Lanczos 法 ,此方法使用完全刚度和质量矩阵 , 并 且很有效 、很精确 。谐响应分析用模态叠加法 ,恒 定阻尼比为 011 。模态叠加法为多步过程 , 可采 用凝聚矩阵或满阵 ,求解前需进行模态分析 。 311 裸管模型的模态分析
37133 回气管 摆动
阶次
11
频率 ( Hz) 39103
振型 回气管 描述 摆动
12
45180 排气管
摆动
13
46198 排气管
摆动
14
52167 排气管
摆动
15
57187 排气管
摆动
16
60195 回气连接 管摆动
17
18
19
20
71125
80140
85183
93150
回气 、排气 蒸发器出口 蒸发器出口 回气连接 管摆动 管摆动 管摆动 管摆动
图 6 改进模型应力分布云图
改进模型应力云图如图 6 所示 。改进模型的
作者简介 :杨靖 ,男 ,1977 年生 , CAD/ CAE 应用工程师 。通讯 地址 :511430 广州番禺大石华凌空调研发中心国际开发部。
(上接第 60 页) (3) 夏季运行时 , 再热器中的火用损占很大比 重 。冬季运行时再热器不投入运行 ,因此 ,冬季系 统的经济性要比夏季的高 。
阶次 11
频率 ( Hz) 10199
振型 四通阀 描述 摆动
12
11186
压缩机 摆动
13
13135
压缩机 摆动
14
21168
压缩机 扭动
15
23106
四通阀 摆动
16
23179
回气管 摆动
17
27187
压缩机 摆动
18
28183
压缩机 摆动
19
31196
四通阀 摆动
20
34137
四通阀 摆动
阶次 21
具体分析方法如下 : (1) 对窗机的管路系统进行模态分析 ,此模态 分析不考虑加配重 。 (2) 在加配重的情况下对窗机进行模态分析 , 与不加配重的情况进行对比 , 分析所加配重对管 路的模态是否有改善 , 这里的改善是指配管的固
有模态尽量避开压缩机的工作频率 。 (3) 对窗机的管路系统行动响应分析 ,计算出
频率 ( Hz)
35187
振型 压缩机 描述 摆动
22
42106
回气管 摆动
23
42177
压缩机 摆动
24
44111
回气管 摆动
25
56181
四通阀 摆动
26
27
28
29
30
61142
69156
74162
82145
91159
回气管 回气连接 四通阀出口 蒸发器出口 回气连接 摆动 管摆动 管摆动 管摆动 管摆动
(4) 如果能加大送风温差 , 直接以露点送风 , 那么 ,不需要再热器 , 其火用损也不存在 , 热效率更 高。
(5) 一次回风系统的火用效率在设计工况和变 工况下较之于理想情况相差均非常大 ,因此 ,它在 节能方面大有潜力可挖 。
在压缩机正常运转时系统的应力与位移云图 。 (4) 分析改进的配管模型是否合理 。
2 计算
211 模型处理 几何模型由 PRO/ E 建立 , 有限元模型由几何
模型简化得到 。在模型简化时 , 忽略过渡区小圆 角 ,对特别大的圆角以折线代替 。这样处理避免 了因形状不规则而造成单元划分的复杂化 。除胶 脚用实体单元 SOLID95 外 , 其余的所有 PART 都 用壳单元 SHELL63 。模型包括的 PART 有 : 回气 管 ,回气连接管 ,冷凝器入口管 ,排气管 ,四通阀出 口管 , 排气管 , 三通管 , 蒸发器出口管 , 压缩机 , 胶 脚 。有限元模型如图 1 。 212 载荷处理
312 原始模型结果分析 31211 原始模型的模态结果
此模型已模拟了实物施加配重后的情况 , 配 重的施加通过改变密度来模拟 。前 40 阶模态见 表 3。
施加配重后 , 排气管的固有模态避开了压缩 机的工作频率 , 回气管有一阶频率 44111Hz 靠近 压缩机的工作频率 4713Hz 。
31212 原始模型的动响应分析 对原始模型作谐响应分析 , 扩展模态到压缩
阶次
1
频率 ( Hz) 10167
振型 压缩机 描述 摆动
2
11111 压缩机
摆动
3
18147 四通阀
摆动
表 2 裸管模型的前 20 阶模态
4
5
6
7
20181 22126
压缩机 四通阀 转动 摆动
25195
回气连接 管摆动
28190
压缩机 摆动
8
33145 回气管 摆动
9
34148 回气管 摆动
10
机中心距离 。 (2) 尽可能不在压缩机附近设置高压开关及
歧管等另件 。 (3) 因为冷却口至压缩机的低压配管的压损
会对冷冻能力产行很大影响 , 设计时要注意配管 的直径 、长度及弯曲度 。
图 3 原始模型的应力分布云图
图 4 排气管改进前后的形状对比
(2) 管径上的区别 ,原排气管管径为 9152mm , 改进后的排气管管径为 8mm。
(3) 原配管系统的最大位移为 01572152mm , 改进的配管系统最大位移为 01585606mm , 改进系 统较原系统的位移上升了 2135 % 。
(4) 用 ANSYS 对空调器的配管系统进行有限 元分析 ,可以分析出布管的合理性及破坏效果 ,从 而有效地对多种方案进行模拟分析 , 选择可行的 方案 , 减少物理模拟 , 减少实验费用 , 提高设计效 率。
The Finite Element Analysis of the Air2Conditioner’s Pipe System
Yang Jing Abstract : The method of using ANSYS to analyze the vibration of the air2conditioner’s pipe system was introduced and the pipe’s vi2 bration behavior was discussed. Through the analysis the effects that the pipe system was destroyed under the cyclic load of the compres2 sor were obtained. Keywords : air2conditioner ;the analyzing of vibration ;CAE ;ANSYS