空調內部管道運輸和運行振動分析范文

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《發電與空調雜志》2014年第四期

1運行模態分析

1.1模態分析模擬有限元的模態分析就是建立模態模型進行數值分析。由于結構的阻尼對其模態頻率及振型的影響很小，所以模態分析的實質就是求解具有有限個自由度的無阻尼及無載荷狀態下式（2）中的ωn。這里管道的主要材料是由紫銅構成，所有材料屬性設置時選用的是紫銅的物性參數。因為廠商并沒有提供準確的參數，所以在實際計算的過程中，密度根據一般情況設為8.94×103kg/m3，楊式模量和泊松比分別采用通常情況平均值117.5GPa和0.325進行計算。如圖1b）所示，約束條件包括邊界條件和連接條件，進一步細分可劃分三類。第一類為固支邊界條件，也就是完全固定端，這適用于所有與壓縮機，換熱器，氣液分離器和外部接水盤連接的地方。模擬中，其前后，左右和豎直三個方向的自由度全部約束為零，從而保證無位移。第二類為不完全固支邊界條件，這主要是通向外部接水盤的冷凝管，因為這部分軸向太長，實際安裝中采用管套進行固定，約束住了它的截面位移。因此在模擬的過程中只令其X和Z方向的位移為零，其它的自由度均設為自由，約占位置取在相應長管的中點處。第三類為構件連接條件，凡是構件的連接處都有此類約束。約束類型在ABAQUSE中選用相互作用中的綁定類型，并且調整從屬面的初始位移和調整旋轉自由度。模擬中一共有6處，分別是四通-分離管，四通-排氣管，四通-連接管，四通-蒸發管，連接管-冷凝管，分離管-彎頭連接處。模擬中各構件的網格獨立劃分，單元類型選為C3D10，采用自由的劃分網格方式。網格的形狀為正四面體，初始化的網格種子大小為0.004，每圈網格種子上限設為8，最小網格令其不低于特征長度的10%。單元的計算階數設置為二階。劃分后結構見圖1c）。模態分析中，分析步選用了頻率分析模塊中線性擾動子模塊。設定預期得到前15階振動模態，每次采用23個向量迭代運算，求解器選用子空間算法。最大迭代次數設為30，以位移作為特征向量，剛度矩陣采用對稱的形式進行存儲。最后任務提交為全場分析，單機計算求解。

1.2模態分析結果及改進模態分析的結果見表1，這里只列出前八階頻率作分析。事實上，在運輸的過程中，由于路面及車箱導致的振動頻率在2~50Hz的范圍內。從表1中可以看出前四階頻率均落在這個范圍內，也就是說主要是前四階頻率可能會引發共振。這里進一步給出前四階結構位移圖像（如圖2所示），其中最大位移處由箭頭標示出。可以看到長管的直角彎處均處于位移最大處，另外四通閥是另一個容易發生大位移的地方。現在將這兩端分別對應的彎頭處固定起來，再進行一次模態分析，求得結果見表1。從結果可以發現第一階頻率約為62Hz，遠大于在運輸中的最大頻率50Hz，通過一定的約束設計，成功的避開了頻率共振區，從而能夠有效保護住運輸狀態的管道。

2運行受迫振動

在運行過程中，振動主要是由于和壓縮機相連處的振動造成的。這一章中，為了模擬受迫振動，在與壓縮機相連處施加了壓縮機振動產生的位移，借此模擬了受迫振動過程。接著通過形狀優化的方法達到了一定的改善作用。

2.1受迫分析對于運行情況，運動方程（1）修改為。這里管道的受迫力主要來自于壓縮機。這里選用循環分析步進行計算，在受迫振動分析的過程中，管口施加周期性位移載荷，其位移最大值為（60，70，70）μm，數據來自三洋C-SB453H8A型壓縮機。角頻率設為14.6184，該結果由試驗測得。試驗測試中，采用的是HY-103振動測量儀。

2.2受迫結果和優化圖4給出了受迫振動情況下的位移和應力分布圖。從圖中不難看出最大位移為114μm，而試驗中測量壓縮機中處振動位移在32~85um范圍。這里模擬結果和試驗基本相符，但是實際測量結果偏低可能是由于模擬中沒有將整個壓縮機放入模擬的原因。下面采用ABAQUSE中的形狀優化模塊對于應力集中這塊管道做局部優化。這里優化的目標也就是要求管道中最大的Mises應力達到最小，優化步數在模擬中設置為十步。圖4c）為優化結果，和圖4b）相比，結果表明雖然最大應力區沒有發生太大的變化，但是最大應力得到了大幅的消減，從原來的1.548MPa減小到了1.295Mpa。通過這種方式雖然沒有改變太多的材料卻達到了優化的目的，但是不得不指出的一點，實際上管道的局部形狀發生了變化，也就是說彎角處不再是圓角過渡。這種方法降低了材料的成本，卻從另一方面，也就是工藝上增加了要求。

3結語

分別針對空調在運輸和運行兩種情況下對管道采用ABAQUSE進行了模態和受迫力學分析。通過合理設置約束條件，能夠達到在運輸的情況下完全避免共振的目的，從而可以大幅減少管道運輸中造成的破壞。對于運行的情形下，這里先分析了原來的結構由于壓縮機受迫振動的情形下的應力分布，然后采用優化算法優化了局部的結構，使得最大應力能夠減少約15%。此外，本文提供的方法對于空調其它構件的振動性能改善也將有一定的參考價值。

作者：彭景華吳帥單位：廣東西屋康達空調有限公司清華大學工程力學系