空调内部管道运输和运行振动分析范文

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《发电与空调杂志》2014年第四期

1运行模态分析

1.1模态分析模拟有限元的模态分析就是建立模态模型进行数值分析。由于结构的阻尼对其模态频率及振型的影响很小，所以模态分析的实质就是求解具有有限个自由度的无阻尼及无载荷状态下式（2）中的ωn。这里管道的主要材料是由紫铜构成，所有材料属性设置时选用的是紫铜的物性参数。因为厂商并没有提供准确的参数，所以在实际计算的过程中，密度根据一般情况设为8.94×103kg/m3，杨式模量和泊松比分别采用通常情况平均值117.5GPa和0.325进行计算。如图1b）所示，约束条件包括边界条件和连接条件，进一步细分可划分三类。第一类为固支边界条件，也就是完全固定端，这适用于所有与压缩机，换热器，气液分离器和外部接水盘连接的地方。模拟中，其前后，左右和竖直三个方向的自由度全部约束为零，从而保证无位移。第二类为不完全固支边界条件，这主要是通向外部接水盘的冷凝管，因为这部分轴向太长，实际安装中采用管套进行固定，约束住了它的截面位移。因此在模拟的过程中只令其X和Z方向的位移为零，其它的自由度均设为自由，约占位置取在相应长管的中点处。第三类为构件连接条件，凡是构件的连接处都有此类约束。约束类型在ABAQUSE中选用相互作用中的绑定类型，并且调整从属面的初始位移和调整旋转自由度。模拟中一共有6处，分别是四通-分离管，四通-排气管，四通-连接管，四通-蒸发管，连接管-冷凝管，分离管-弯头连接处。模拟中各构件的网格独立划分，单元类型选为C3D10，采用自由的划分网格方式。网格的形状为正四面体，初始化的网格种子大小为0.004，每圈网格种子上限设为8，最小网格令其不低于特征长度的10%。单元的计算阶数设置为二阶。划分后结构见图1c）。模态分析中，分析步选用了频率分析模块中线性扰动子模块。设定预期得到前15阶振动模态，每次采用23个向量迭代运算，求解器选用子空间算法。最大迭代次数设为30，以位移作为特征向量，刚度矩阵采用对称的形式进行存储。最后任务提交为全场分析，单机计算求解。

1.2模态分析结果及改进模态分析的结果见表1，这里只列出前八阶频率作分析。事实上，在运输的过程中，由于路面及车箱导致的振动频率在2~50Hz的范围内。从表1中可以看出前四阶频率均落在这个范围内，也就是说主要是前四阶频率可能会引发共振。这里进一步给出前四阶结构位移图像（如图2所示），其中最大位移处由箭头标示出。可以看到长管的直角弯处均处于位移最大处，另外四通阀是另一个容易发生大位移的地方。现在将这两端分别对应的弯头处固定起来，再进行一次模态分析，求得结果见表1。从结果可以发现第一阶频率约为62Hz，远大于在运输中的最大频率50Hz，通过一定的约束设计，成功的避开了频率共振区，从而能够有效保护住运输状态的管道。

2运行受迫振动

在运行过程中，振动主要是由于和压缩机相连处的振动造成的。这一章中，为了模拟受迫振动，在与压缩机相连处施加了压缩机振动产生的位移，借此模拟了受迫振动过程。接着通过形状优化的方法达到了一定的改善作用。

2.1受迫分析对于运行情况，运动方程（1）修改为。这里管道的受迫力主要来自于压缩机。这里选用循环分析步进行计算，在受迫振动分析的过程中，管口施加周期性位移载荷，其位移最大值为（60，70，70）μm，数据来自三洋C-SB453H8A型压缩机。角频率设为14.6184，该结果由试验测得。试验测试中，采用的是HY-103振动测量仪。

2.2受迫结果和优化图4给出了受迫振动情况下的位移和应力分布图。从图中不难看出最大位移为114μm，而试验中测量压缩机中处振动位移在32~85um范围。这里模拟结果和试验基本相符，但是实际测量结果偏低可能是由于模拟中没有将整个压缩机放入模拟的原因。下面采用ABAQUSE中的形状优化模块对于应力集中这块管道做局部优化。这里优化的目标也就是要求管道中最大的Mises应力达到最小，优化步数在模拟中设置为十步。图4c）为优化结果，和图4b）相比，结果表明虽然最大应力区没有发生太大的变化，但是最大应力得到了大幅的消减，从原来的1.548MPa减小到了1.295Mpa。通过这种方式虽然没有改变太多的材料却达到了优化的目的，但是不得不指出的一点，实际上管道的局部形状发生了变化，也就是说弯角处不再是圆角过渡。这种方法降低了材料的成本，却从另一方面，也就是工艺上增加了要求。

3结语

分别针对空调在运输和运行两种情况下对管道采用ABAQUSE进行了模态和受迫力学分析。通过合理设置约束条件，能够达到在运输的情况下完全避免共振的目的，从而可以大幅减少管道运输中造成的破坏。对于运行的情形下，这里先分析了原来的结构由于压缩机受迫振动的情形下的应力分布，然后采用优化算法优化了局部的结构，使得最大应力能够减少约15%。此外，本文提供的方法对于空调其它构件的振动性能改善也将有一定的参考价值。

作者：彭景华吴帅单位：广东西屋康达空调有限公司清华大学工程力学系