直流变频空调室外机管路系统的模态分析_章兰珠

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0 引言
制冷系统管路断裂的主要原因是管路的振动 应力过大[1]。根据经验,制冷系统管路的振动主要 是压缩机排气管和回气管的振动,这两根管由于受 到压缩机的激振和冷媒的流动而处于受迫振动状 态,长期疲劳就会导致管路断裂[2]。
本文针对广东某空调企业直流变频 140 空调 室外机排气管和回气管振动较大问题,采用计算机 数值模拟与振动测试、实验模态测试相结合的方法 [3-5],寻找模态频率和模态振型,利用实验模态测 试分析结果验证有限元模型的可靠性。
图 4 实验模态测试得到的振幅图
3 结论
通过有限元计算和实验模态法得到的在压缩 机工作频率范围内的系统自振频率以及两者之差 汇总于表 3。由表中数据可知,实验模态结果分析 可得到九阶较清晰的自振频率,而在有限元计算中 得到的其它四阶频率在实验中没有被激励或不明 显。比较计算和实验得到的九阶模态频率,发现两 者非常接近,最大不超过 5%,其中有三阶的数值 不超过 0.21%,说明有限元的建模和约束的设置可 靠,符合实际系统情况,有限元的计算结果可信。 另外,通过对其中四阶差值大于 1%,小于 5%的模 态振型进行比较可知,虽然计算结果和试验结果在
由此可见,压缩机激振力产生的应力较大点都
2 实验模态
实验模态分析可以较精确地识别必要的模态
参数,对有限元模型进行修正,并作为结构动力修
改的参考,对管路设计意义重大。此外还需要进行
响应测试,来准确地了解个频率下振动问题所在。
室外机系统结构十分复杂,难以马上得到整机的模
态,进行模态分析时须先进行分区,然后再对区分
数,相干函数等必要参数,并手动加以保存,用于
后续分析。试验数据经过模态分析软件处理后得到
如图 4 所示的振幅叠加图。由此可得到系统自振频
率,见表 3。
表 3 有限元计算结果与试验模态分析结果的比较
阶 次
有限元计 算自振频 率(Hz)
试验模态 自振频率,
(Hz)
(试验模态 -计算模态)
/试验模态 (×100%)
( 1.School of Mechanical and power Engieering, EAST China University of Science and Technology, Shanghai, 200237; 2.Guangdong Midea Group Midea Commerial Air Condioning Company, Foshan, 528311 )
(1.华东理工大学机械与动力工程学院 上海 200237; 2.美的集团广东美的商用空调公司 佛山 528311)
【摘 要】 文章针对某直流变频商用空调室外机的管路系统(特别是排气管和回气管)振动较大的问题,对 系统进行有限元仿真计算和实验测试,分析系统的模态频率和模态振型,得到有限元计算的模态 频率与实验模态分析的结果接近,验证了有限元模型的可靠性并在此基础上进行了谐响应分析, 得到管路系统应力薄弱环节。
图 1 空调管路系统的三维模型图
材料性能参数如表 1 所示。铜的物性是按照美 的公司提供的牌号 T2(软态)考虑;钢的物性是 按 45 号钢考虑;橡胶的属性取自企业的推荐数据。
表 1 材料性能参数表
温度 线膨胀系数 弹性模量 泊松比
(℃) (℃-1) (GPa)

20
1.77E-5
115
0.34

20
1.06E-5
210
0.30
橡胶 20
0.86E-9
10
0.48
划分网格直接关系到计算的精度,是 ANSYS 有限元分析最关键的步骤之一。根据有限元知识,
节点数相同的情况下六面体网格比四面体网格在
计算上更精确,并且收敛性好。所以尽量采用六面
体扫描网格,不能扫描成六面体网格的地方用较精
细的四面体网格。实体单元网格划分图如图 2 所 示。
的持续周期(谐)响应。在空调的制冷系统中,压缩 机受到旋转不平衡离心力的作用,该离心力随转子
的转动呈现周期性的变化,导致空调器管路系统产
生谐响应。谐响应分析一般在模态分析的基础上进
行,可研究压缩机在正常工作时所产生的周期激励
下,管路系统各节点的动态位移和应力响应情况[6]。
激励频率选为主要工作频率范围 42-80Hz,频 率载荷步的步长设为 2Hz,激振力力的施加位于压 缩机本体长度 1/3(离压缩机底脚)处[7]。
在排气管和回气管的弯头处,尤其是靠近压缩机的 几个弯头,这几点都是共振点,且应力远远大于非 共振点。另外,在相同位置加其他激振力,应力最 大点主要也在这些部位,这些是应力测试必须加以 关注的部位。
(a) 50Hz
(b) 54 Hz
(c) 64Hz
(d) 66Hz 图 3 绕竖直轴的激振力偶作用下 Von Misses 应力云图
阶次 自振频率,Hz
对应模态
1
8.677
排气管摆动
2
12.095
排气管摆动
3
21.86
压缩机上下跳动
4
22.393
Biblioteka Baidu压缩机扭动
5
25.142
排气管扭动
6
33.024
排气管摆动
7
39.976
排气管弯曲
8
46.602
排气管弯曲
9
48.902
回气管摆动
10
50.524
排气管摆动
11
54.362
排气管摆动弯曲
12
59.377
排气管摆动、回气管摆动
13
64.292
排气管扭动
14
65.487
回气管摆动
15
91.88
排气管摆动、扭动
16
97.576
回气管摆动
17
104.475
排气管摆动
18
106.434
排气管摆动
19
108.006
排气管、回气管摆动
20
109.79
排气管扭动摆动、回气管摆动
1.2 谐响应分析 谐响应是指结构在周期持续载荷作用下产生
验证可靠的有限元模型可用于系统谐响应分
析、振动响应分析、寻找主要振源、振动的主要传 递路径,并提出合理的优化和改造方案。在此基础 上建立的设计方法可以改变以往根据经验,通过类 比、计算等进行空调管路设计的传统方法,不仅使 设计更加科学,而且大大提高了设计效率和可靠 性,保证了产品质量。
本论文所研究的空调采用三菱变频压缩机 ANB42FBEMT,使用介质为 R410a,变频范围为 30~84Hz , 工 作 温 度 约 70℃ , 工 作 压 力 约 为 2.3~3.3Mpa。
共可考虑绕 3 种方向的力(分别为 X、Y、Z 向)和 3 种方向的力矩(分别绕 X、Y、Z 轴)。其 中竖直轴的动载荷力矩为最主要的激励力[8],于是
第 23 卷第 5 期
章兰珠,等:直流变频空调室外机管路系统的模态分析
·9·
进行此向激振力作用下的谐响应分析。分析结果可 知,引发共振时,系统内应力最大,几个频率在共 振范围中的激振力的 Von Misses 应力响应云图如 图 3 所示。
图 2 有限元模型
1.1 模态分析
模态分析即分析空调管路的振动特性,确定其
固有的动力学特性,包括频率及其相应的振型,以
避免管路结构出现与压缩机工作频率相接近的固
有频率。本论文的研究对象为工作频率在 30~84Hz 之间的变频压缩机,故其结构优化将更为复杂。模
态分析的结果如表 2 所示。
表 2 模态分析结果
别进行模态试验,在此基础上进一步分析从而了解
整机的情况。
预实验结果表明,低频激励的响应在压缩机上
表现不明显,这主要是因为压缩机单体最低阶固有
频率较高。为更好地获得系统的低频特性,需要对
管路进行模态分析。
实验中采用 4 个加速度传感器,选定 16 个测
点,通过传感器在测点上的移动进行 4 组实验。力
锤激励后,分析软件上自动显示各测点的频响函
参考文献:
[1] 陈培烈.应用 CAE 技术进行空调管路的振动分析[J]. 计算机辅助设计与制造,2002,(1):17-18.
[2] 童宗鹏,王国治.窗式空调器振动噪声源的分析与控制 研究[J].华东船舶工业学院学报,2002,16(2):64-67.
[3] 曹树谦.振动结构模态分析[M].天津:天津大学出版社,
【关键词】 空调室外机;振动;有限元;实验模态分析 中图分类号 TH122 文献标识码 B
Modal Analyse for Pipe System of the Outdoor Machine of a DC Inverter Business Air-conditioner Zhang Lanzhu1 Li Shiyun2 Guo Jun2 Zhou Shaoping2
振型
33.024


1 39.976


2 46.602
46.50
0.21 排气管弯曲
3 48.902


4 50.524


5 54.362
54.38
排气管摆动
0.03
弯曲
6 59.377
60.63
排气管摆动、
2.07
回气管摆动
7 64.292
61.50
4.54 排气管扭动
8 65.487
67.75
3.34 回气管摆动
9 91.88
89.25
排气管摆
2.95
动、扭动
10 97.567
94.00
3.79 回气管摆动
11 104.48 104.63
0.14 排气管摆动
·10·
制冷与空调
2009 年
模态频率上有一定的差异,但其模态振型一致。因 此,在实验验证可靠的基础上,该有限元模型可用 来进一步进行谐响应分析,谐响应分析的结果表明 了在周期性压缩机激振力的作用下系统管路的应 力分布情况,找到了结构薄弱点,为结构优化和新 的结构设计提供理论依据。
第 23 卷第 5 期 2009 年 10 月
制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning
Vol.23 No.5 Oct. 2009.7~10
文章编号:1671-6612(2009)05-007-04
直流变频空调室外机管路系统的模态分析
章兰珠1 李仕云 2 郭 军 2 周邵萍 2
【Abstract】 Based on the vibrating problem of the outdoor machine of a DC inverter business air-conditioner, especially on the exhaust pipe and the back pipe, the modal values (modal frequencies and modes) were analysed with the finite element simulation and test modal analyse. The results show, that the modal frequencies from finite element calculation are quite closed to the data from test. The reliability of the finite element model and finite element calculation was verified. Harmonic Analysis was done on the reliable ANSYS model and the stress in pipe system was calculated. 【Keywords】 Outdoor machine;Vibration;Finite element;Test modal analyse
2001. [5] 卢剑伟,杨九铭.空调器配管机械振动控制策略[J].机
械设计与制造,2004,(4):47-48. [6] 王富耻,张朝晖.Ansys10.0 有限元分析理论与工程应
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(上接第6页) 吊物孔、安装接力风机时的温度不均匀系数,说明 封闭吊物孔、安装接力风机时温度场分布好于未封 闭吊物孔、未安装接力风机时的温度场分布。由此 可以得出,封闭吊物孔、安装接力风机时母线层的 气流组织分布优于未封闭吊物孔、未安装接力风机 的气流组织分布。对比分析各方案的温度不均匀系 数可以看出,方案 5(双排对称布置送风口)为最 佳送风口方案。
1 空调管路系统有限元建模及计算
作者简介:章兰珠(1971-),女,博士,副教授,主要研究方向为机械动力学,密封材料与减震。
收稿日期:2009-03-16
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制冷与空调
2009 年
空调管路系统的三维实体模型在 Pro/E 环境下 建立,如图 1 所示。在此基础上,配置 ANSYS10.0 与 Pro/E Wildfire 2.0 的接口,在 Pro/E 中自动启动 ANSYS 进行模型转换。
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