有限元技术在空调管路振动分析中的应用

韩本强等：有限元技术在空调管路振动分析中的应用

前言

有限元技术在空调管路振动分析中的应用

韩本强陈培烈胡志明杨靖

（广州华凌空调设备有限公司研究中心）

摘要应用ＰＴｃ公司的Ｐｒｏ／Ｅ软件建立某空调譬路系统的三堆模型，通过ＡＮＳＹＳ软件的专用Ｐｒｏ／Ｅ接口将模型导入到ＡＮＳＹＳ软件中，在ＡＮＳＹＳ软件里建立该空调管路的有限元分析模型，计算出前２０阶固有频率和振型，并且在此基础上模拟压缩枫的激动，分析空谓瞥路的蒹动畸应特性．通过计算分析提出减少配管振动的设计方案，证明了应用ＡＮＳＹＳ软件的有限元技术进行空调管路减振的可行性．

关链词空调有限元分析摆动模态ＣＡＥ

空调管路振动的噪声主要来源于连接压缩机的制冷管路，即压缩机的排气管和回气管。该两根管由于受到压缩机的激振和冷媒的流动而处于受迫振动状态，从而产生明显的振动噪声。当压缩机给予的外力方向和振动速度的方向一致时，外力对管路系统作正功，系统增加能量，振动噪声急剧增大，且该部分噪声通过制冷管路由侧板传至箱外，形成箱体的共鸣声。

本文是以某一窗式空调的管路模型为对象，借助有限元ＡＮＳＹＳ软件的结构动力分析功能，分析了该空调管路系统的振动特性，确定其固有动力特性，包括频率及其相对应振型，即进行模态分析；在模态分析的基础上模拟了压缩机正常工作所产生的周期冲击激励，分析预潮了在压缩机激励作用下管路系统的动态位移和应力响应情况，并提出相应的改进方案，尽量降低部件在工作时的振动幅度和应力大小，同时为管路系统在减振方面的设计提供了理论依据。

１建立模型

管路系统的几何模型是在三维ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ中建立的，如图ｌ所示｛通过ＡＮＳＹＳ软件的Ｐｒｏ／Ｅ专用接口导入到ＡＮＳＹＳ环境中，通过定义单元类型、定义材料特性、定义单元实常数、划分网格等完成有限元分析模型，如图２所示。

图１几何模型用２有限元模型

（１）单元类型

１１配管用梁单元ｂｅａｍｌ８８，Ｂｅａｍｌ８８的最大特点是支持梁截面形状显示，可以考虑剪切变形和翘曲，同时也支持大转动和大应变等非线性行为，而且也可以直接显示梁截面上的应力和变形。在用Ｂｅａｍｌ８８建模时必须先定义截面形状，而且必须指定一个方向点，在形成的每个梁单元中都会生成一个方向节点（即额外节点），它是粱单元的组成部分，不能被删除：

２）压缩机以及消音器用壳单元ｓｈｅｌｌ６３；

３）压缩机的胶脚用体单元ｓｏｌｉｄ９５。

韩本强等：有限元技术在空调警路擐动分析中的应用

圈３第９阶模态振型（４５４Ｈｚ）圈４改进后的有限元模型

压缩机的工作频率为４７Ｈｚ，因此在布管时应尽量避免管路系统的固有频率在４７Ｈｚ或其倍频上，从而避免共振现象。在表３中４５．４Ｈｚ出现在压缩机运转频率附近，会产生共振，因此应改进管路走向。

改变管路的有限元模型见图４，主要改变了回气管的管形；同样方法进行模态分析，由分析结果得知，管路的固有频率都避开了压缩机的工作频率４７Ｈｚ或其倍频，可有效避免共振现象发生。

（２）谐响应分析

所谓谐响应，就是结构在周期持续载荷作用下产生的持续周期（谐）响应。在空调或除湿机的制冷系统里，压缩机受到旋转不平衡离心力的作用，该离心力随转子的转动丽周期性变化，所以管路系统会产生谐响廊。谐响应分析一般在模态分析的基础上进行，可研究在压缩机正常工作所产生的周期激励下，管路系统备节点的动态位移和应力响应情况。分别分析改进前后的管路系统的动态位移和应力响应情况见图５：图中圆圈圆点所处位置容易发生管裂情况，并且该点在两种结构同一位置，用该点作位移、应力对比具可比性。

裹５谐响应分斩结果对比衰（位移：衄，应力：ＭＰａ）

系统量大位移秉筑■丈虞力配ｆ■点处应力配瞥瞳点址位移

改进翦模型１．２“３８４３２０１２０．３３

改进后模型ｏ．４９８３２．５３７．１０３ｌ对比分析：

１）由于改进后的模态避开压缩机的工作频率，避免发生共振现象，因此系统的最大位移由１．２１Ｉｍｍ降到０．４９８ｍｍ；

２）系统的最大应力发生在管路结构的约束处，所以最大应力相差不大（３８．４３ＭＰａ与３２．５３ＭＰａ），但对比配管圜点处的应力则大大降低了（由２０．１２ＭＰａ变为７．１ＭＰａ）：

３）配管圆点处的位移变化不大，但应力大大降低，这样大大减少管路破裂的机会，己达到了改进的目的。

３结论

（１）针对压缩机与管路等结构组成的制冷系统，建立振动分析的力学模型和有限元模型，在此模型上进行模态分析和谐响应分析。计算结果与实际情况有一致的趋势。利用通用有限元分析软件对空调的管路系统进行动力学计算分析是可行的；

（２）管路的固有动力特性（固有频率和振型）对管路的动态响应情况有很大影响，在设计管路时应

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第八届全国工程设计年会

尽量避免管路系统的固有频率在压缩机工作频率或其倍频上，从而避免共振现象：（３）在使用有限元技术分析管路的动态特性时，随着分析频率的提高，模态变得十分密集，使分析结果失去实际意义，但是管路的低阶模态对动态响应的影响很大，这对于一般的分析而言已经足够了：（４）借助ＡＮＳＹＳ的分析功能，能够确定、比较不同设计结构在一定外激励作用下的应力和位移响应情况，为结构优化提供指导性建议。

改进前谐响应分析位移云图改进前谐响应分析位移云图改进前谐响应分析应力云图改进前谐响应分析应力云图

图５谐响应分析对比

有限元技术在空调管路振动分析中的应用

作者：韩本强， 陈培烈， 胡志明， 杨靖

作者单位：广州华凌空调设备有限公司研究中心

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