空调管路振动性能分析及优化设计_张敬东

第25卷第5期重庆邮电大学学报（自然科学版）

Vol．25No．52013年10月Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications （Natural Science Edition ）Oct．2013

DOI ：10．3979/j．issn．1673-825X．2013．05．026

空调管路振动性能分析及优化设计

收稿日期：2013-03-04修订日期：2013-04-10通讯作者：张敬东zjdzhangjingdong@163．com 基金项目：四川省科技支撑计划项目(2011GZX0065)

Foundation Item :The Science and Technology Support Projects of Sichuan Province (2011GZX0065)

张敬东1，起雪梅1，杜仕武

2

（1．攀枝花学院交通与汽车工程学院攀枝花617000；2．重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400047）

摘要：针对空调管路振动的特性问题，采用Solidworks 软件建立了空调管路三维实体模型，利用ANSYS 软件建立

其有限元动力学分析模型，

计算分析了固有频率与振型等振动性能，提出了一种通过增加约束条件对空调管路的固有振动特性进行优化设计的方法。通过在空调管路中不同部位处施加约束位移，并对4种优化方案进行分析比较，获得最佳优化结果。研究结果表明，在空调管路干燥过滤器上下部位同时增加约束条件，分析出所有固有频率均脱离0 150Hz 低频区域，一定程度上不受外力激励干扰，振型方面空调管路振动幅度也得到了有效抑制。这种改变约束条件实现空调管路抗振特性的设计方法有效、可行，具有重要的工程价值。关键词：空调管路;有限元分析;固有频率;振型中图分类号：TP122

文献标识码：A

文章编号：1673-

825X (2013)05-0705-06Vibration performance analysis and optimization design for air-conditioner pipeline

ZHANG Jingdong 1，QI Xuemei 1，DU Shiwu 2

（1．School of transportation and vehicle engineering ，Panzhihua University Panzhihua 617000P．Ｒ．China ；

2．School of Mechanical and electrical and automobile engineering ，Chongqingjiaotong University ，Chongqing 400074，P．Ｒ．China ）

Abstract ：Aiming at vibration problem on air-conditioner pipeline ，the 3D modeling of air-conditioner pipeline is estab-lished ，and FEM dynamic model is established by using the ANSYS software ，the modal analysis is simulated ，an optimiza-tion design methodology by changing constraints is proposed for enhancing vibration performance of the air-conditioner pipe-line in this paper．By adding constraint conditions on the upper and lower parts of the drying filter in the pipeline simultane-ously ，all the natural frequency are larger than 150Hz ，and air-conditioner pipeline vibration amplitude are also effectively suppressed．The result shows that this optimization methodology is feasible and reference significance．Key words ：air-conditioner pipeline ；finite element analysis ；natural frequency ；mode shape

0前言

空调的振动及噪声是评价空调质量的重要指

标及影响产品市场竞争力的主要因素。研究表明，空调振动主要来源于压缩机，而空调管路是传播振

动的主要途径［1-2］，对空调管路的抗振设计是空调设计与制造的关键环节。文献［2］针对空调管路的

振动问题进行了系统研究，建立了空调管路有限元的计算模型，分析了管路的振动模态特性，研究了

管路壁厚及阻尼配重对管路振动模态的影响，提出

空调管路结构设计的建议；文献［3］应用PＲO /E 和ANSYS 软件计算了管路的固有频率及影响因素，提出了使固有频率避开工作频率的技术措施；文献

［1］提出一种基于管路动态仿真及测试的管路设计方法，并由此开发一空调管路设计系统，采用空调管路设计系统提高了企业的设计手段和设计方法。

针对空调管路振动的特征问题，利用ANSYS 有限元分析软件对空调管路的固有频率与振型等动

态性能进行了分析，并通过增加约束条件对空调管

路的固有振动特性进行优化设计。研究表明，改变约束条件实现空调管路抗振特性提升的管路设计

方法对于空调抗振性设计具有实用意义。

1空调管路模型的建立

图1为solidworks12．0软件绘制的某空调一部分管道的3维结构，包括缸头阀，导液管，干燥过滤器，电磁阀，潮汽指示器，膨胀阀，分液头。尺寸大小为215mm ˑ185mm ˑ715mm

。

图1

某空调管路3维模型

Fig．1

3D Model of an air conditioning piping

事实证明，来自外力的激励可能会促使管道发生共振，从而引起管道的结构不稳定性，甚至会导致氟利昂液体泄漏等严重后果。为减少或者避免这种不利现象的发生，目前较为有效的方法是借助有限元分析方法［4］

得出管道的固有特性，

如固有频率。由于外力激励一般在低频（0 150Hz ）［5］

，

所以，通过仿真优化提高管道的固有频率，可以很好地远离激励能量集中区，从而在一定程度上保证空调与外力的有效隔绝。

2空调管路有限元分析

有限元分析软件采用ANSYS14．0，将建立好的

模型在solidworks 中进行一定的简化，简化包括去

掉功能性部件，

如缸头阀、电磁阀、膨胀阀开关和倒角等微观特征，保存副本为．igs 格式后，导入到AN-SYS 中。

由于管道部分全都为板件结构，因此，采用壳

单元分网优于实体单元，需要对导入的实体模型进行抽壳处理，壳单元选用Shell63模拟，单元厚度为2mm 。

shell63单元有弯曲和薄膜2种功能。面内和

法向载荷都允许。每个节点有6个自由度：x ，

y ，z 方向的平动和绕x ，y ，z 轴的转动，包括应力刚化和大变形功能，如图2所示。在大变形分析中，可以用一致切向刚度矩阵［4］

。

图2Shell63单元Fig．2

Shell63element

表1中为各部分材料参数，镀锌钢板用于干燥过滤器和潮汽指示器，红铜用于导液管、电磁阀。在划分网格之前，可将焊接处进行glue 布尔操作，避免不必要的自由度耦合处理。

表1

空调管路材料参数

Tab．1Material parameters of air conditioning piping 材料名称弹性模量/GPa

泊松比密度/kg ·m

－3

镀锌钢板2000．317850红铜

110

0．33

8400

根据实际模型在基础尺寸中设定网格大小为6

mm ，并使用LESIZE 对某些重点线进行控制，分网方式多以四方网格为主，面积较小且不规则的部分以三角网格划分。划分网格后的空调管路有限元模型共有单元6359个、节点6450个，模型如图3所示。

分网完成后，需要对不连续部分进行自由度的耦合。导液管、干燥过滤器、电磁阀、潮汽指示器各部分通过焊接连接，对于壳与壳单元，通过节点耦合方式进行模拟。

为了得到空调管路固有特性，即固有频率和振型，需要对管路进行模态分析。模态分析以多自由度动力学平衡方程式为基础，可写成

［M ］｛㊆X ｝+［C ］｛ X ｝+［K ］｛X ｝=｛P ｝（1）（1）式中：［M ］，［C ］，［K ］分别为质量、阻尼、刚度矩阵；｛X ｝，｛P ｝分别为振动位移、强迫激励。阻尼矩阵［C ］对物体固有频率并不会造成影响，而只是削

弱了共振峰处对应的振幅大小。因此，无阻尼的自

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