有限元在空调设施构造受力剖析中的应用

　　房间空调器部件的动力有限元计算在国际上起步较早，主要集中在部件的有限元计算工作。在日本， S. Higuchi应用动力测试和计算机有限元计算手段解决挂壁空调室内机电机-贯流风扇以及窗式空调电机-离心风扇-轴流风扇系统与电磁激振力的共振问题。在空调器管道振动方面， Shoichi Yokoyama等人开发了管道振动模拟的有限元计算软件，该软件应用节点输入的方式准确地模拟管道振动。在压缩机振动方面，国际上也进行了不少测试和计算机有限元计算研究。在中国，庄表中等人对分体空调室外机及管系拍振进行了减振降噪技术研究。总的说来，国内由于限于试验手段、人员等原因，对空调器的动力测试与有限元计算开展的不太多。

　　由于产品更新速度较快，本所购买了M SC/ NAST RAN软件进行结构动力仿真计算。为了快捷方便地建立有限元模型，在其建模过程中主要有以下几方面的问题需要解决：（ 1）换热器的简化及其与钣金件的接触处理。换热器是一种疏松结构，与钣金件相连为一种松散的搭接连接，其连接问题处理的好坏将直接影响模型的准确性，其阻尼特性对以后的响应分析也有很大的影响；（ 2）钣金件上覆盖的阻尼材料的简化处理。钣金件由于工艺的需要，并不是刚性联结，如何处理联结结构也是一个比较困难的问题；（ 3）对管道系统进行分析时，管道件如何建模及换热器对其的耦合作用如何处理问题；（ 4）压缩机及其减振装置的等效简化问题；（ 5）空调器的载荷除了机械运动引起的周期载荷处，还有气流紊流引起的不定载荷，如何测量这些载荷也是需要解决的问题。

　　本文通过空调器管道件与整机动力有限元计算与试验对比的介绍，探索了有限元分析在空调设计中应用的可行性。经过一段时间的努力，以上问题均得到相应的处理，所建整机模型的准确度可以满足工程设计的需要。

　　2模态试验原理与测量方法

　　采用适调多点激振法进行模态试验。适调多点激振法是基于相位共振原理，合适调节多个正弦激励力的分布和大小来补偿结构内部阻尼，以激出结构的单一等效无阻尼（固有）模态，即纯模态。当结构处于单一纯模态振动时，通过物理测量，直接获得模态参数。这时结构上各测点加速度相位导前激振力相位为/ 2（即虚部*大，实部位零）。实验时采用下述指示函数来判别模态纯度T = 1 -∑n i= 1 R e（ X i）X i∑n i= 1 X i其中： X i为第i个测点的加速度； R e（ X i）为第i个测点的加速度的实部； n为测量点数。T = 1时为单一纯模态。实际测试中规定T≥0. 9为优良模态； T≥0. 8为可接受模态。

　　3空调器管道、整机有限元分析与试验对比

　　3. 1空调器管道件有限元分析

　　空调器室外机组的管道件是空调器的重要部件之一。它由吸气管、排气管、换向阀和连接管道组成，是振动传递的重要路径之一，设计不好会产生系统共振、拍振现象，它们的动力性能直接影响到空调器的振动与噪声水平。对管道进行优化设计有利于降低系统振动，延长使用寿命。

　　分别采用T ube和Quad4两种方法建立管道有限元模型。质量定义主要有以下方法： a.在材料特性中定义材料密度； b.定义非结构质量； c.应用集中质量定义压缩机等刚体，有时需考虑转动惯量的影响； d.根据试验或计算得到结构的质量矩阵直接输入。在本文中采用前三种方法，即管道采用材料特性中定义材料密度的方法，管道粘贴的减振阻尼块简化成结构阻尼与非结构质量，应用集中质量定义压缩机，此外对单向阀、换向阀等结构也进行了简化。

　　材料特性： CuE= 1. 17 e11 Pa； G= 5. 17e10 Pa； = 8. 87e3 kg/ m 3。约束条件：换热器对管道的支承作用简化为等效刚度。分别对以上两种有限元模型进行模态分析，模态分析采用蓝毖士法（ Lanczos method） ，并与试验结果对比所示。可看出：管系第四阶频率与压缩机激振频率（ 49 Hz）比较接近，需要对管系结构进行改进。根据振型对排气管结构及减振阻尼块粘贴位置进行修改，管系第四阶频率避开共振区，计算与试验结所示。

　　以上结果表明：进行模态分析的两种有限元模型，工程上都是可以接受的，梁模型的自由度大大减少，它比较适合于管道分析。

　　3. 2管道的频率响应分析与瞬态响应分析

　　空调正常运行时，管道受到压缩机的强迫振动。在运输过程中和压缩机启动时会受到冲击作用。因此需对管道进行频率响应分析与瞬态响应分析，了解管道在压缩机载荷作用下响应及运输冲击响应。

　　应用大质量法进行计算。分析时，载荷与阻尼均取自于实测值。施加阻尼材料前、后，应用同样载荷与约束，对管系进行瞬态响应分析，管系上同一点位移、加速度幅值对比，与试验结果对比其变化趋势一致。

　　3. 3整机模态分析与试验验证

　　部件之间的连接方式的模拟可采用以下几种： a.部件之间对接面在连接部位的节点直接重合； b.采用刚体元或多点约束的方法（ M PC） ； c.根据螺钉连接部位的连接刚度应用梁单元进行模拟。在本文中采用第二种方法。

　　模态分析采用蓝毖士法分别对空调器单块钣金进行模态计算与试验，根据试验结果，对有限元模型进行修正，从而保证整机模型的准确性。各单板分析与试验的对比。盖板的形状比较典型，分析时分别对凸台高度、形式与位置、倒角、阻尼块等进行简化，结果发现，凸台高度、形式与位置对盖板整体刚度影响很大所示。前板的简化主要体现在其与盖板嵌接的台阶部分和贴在板上的阻尼吸声块，简化后所得的分析模态与试验结果相差不大。中隔板的刚度较大，其上焊接的金属片及阻尼贴块的质量及刚度对其整体影响不大。另外，其边上的缺口及凸起部分的复杂边界形状均可以直边或圆边代替。

　　（ a） KFR-35WA前面（ b） KFR-35WA前面板**阶模态板第二阶模态底板（安装压缩机）的较大的刚度来源于其形状的复杂，故除了将其上的较小螺钉孔及钣金间的插接孔去掉外，大体形状不变。压缩机部分简化附加质量。电机支架的简化主要表现在对焊点的简化上，用刚接单元MPC中的RBE2模拟支架主体与边上镶条的焊点连接。

　　在得到单板的模型之后，逐板组装，用刚单元模拟板与板这间的联结。由于刚单元在模拟螺钉时，会增加整体结构的刚度，故不能简单用一个刚单元模拟一个螺钉，而是要适当地调节刚单元的数量和位置，通过与实验结果的对比，逐步得到正确的有限元模型。在这期间，鉴于换热器及管道的特殊性，将它们作为附加质量或刚度分别添加到底盘、中隔板上。*终得到一个主要由QUAD4和TRIA3单元组成的与试验基本吻合的较为简单的模型。根据有限元计算与试验对比分析得到有限元分析所需的边界条件与简化原则，对另一型号的空调器进行分析，同样得到令人满意的结果。

　　4结论

　　（ 1）可以在MSC/ NAST RAN软件中应用集中质量并考虑转动惯量的影响定义压缩机，换热器可简化为附加质量与刚度；（ 2）通过对空调整机进行模态分析并与试验结果进行对比可知，采用刚体元或多点约束的方法模拟部件之间的连接方式，可以快捷方便地建立有限元模型，其计算精度可满足工程设计要求；（ 3）此次分析表明，应用“大质量法”对管道进行频率响应分析、瞬态响应分析是可行的。