1 概述
随着人们生活质量的提高,空调的普及率日益增加。由于我国地域广阔、路况复杂,空调产品在运输过程中要承受复杂的随机振动载荷,如果空调管路设计不当,管路就可能在运输过程中产生失效,随机振动试验是评价空调管路在运输中是否可靠的重要手段。
本文针对某新开发的空调管路系统进行随机振动分析,基于HyperWorks平台对随机振动性能进行有限元仿真,在空调开发阶段提前了解管路系统的性能,并根据仿真结果对管路进行优化设计。
2 有限元仿真
2.1 模型描述
空调管路系统CAD模型如图1所示,利用Hypermesh建立空调管路有限元模型如图2所示,管路为薄壁件,对管路抽中面后用壳单元模拟,单元整体尺寸3mm,单元数量为37658,零件用Rbe2单元连接。
图1 管路CAD模型
图2 管路有限元仿真模型
2.2 材料属性
计算中使用的主要材料参数如表1所示。
表1 材料参数
2.3 模态分析
进行模态分析是为了掌握管路的振动特性,为随机振动分析做准备。约束压缩机底脚、管路和其它零件连接位置,对管路系统进行模态分析,得到管路的固有频率和振型。本文采用Lanczos法提取了管路400Hz内的模态,前20阶模态结果如表2所示。
表2 模态分析结果
2.4 随机振动分析
空调管路在运输过程中,承受的是随机振动载荷,根据空调的设备技术要求,空调管路必须通过一定级别的耐久振动试验,试验随机振动加速度功率谱密度如图3所示。
图3 加速度功率谱密度
基于模态叠加法,对管路系统进行随机振动有限元分析,在压缩机底脚、管路和其它零件连接位置处施加与随机振动试验相同的载荷,得到管路的应力。
空调管路随机振动均方根应力如图4所示,从图中可以看出,应力最大位置在四通阀上,最大应力为91.7MPa,由于随机振动仿真是基于统计学的分析,工程上常采用3σ来判断结构是否会失效。空调管路的3σ应力为275.1MPa,超出铜的极限疲劳强度,因此管路在随机振动中有可能发生失效。
图4 管路均方根应力云图
选取应力最大处节点34126,输出该点的应力功率谱如图5所示,从图中可以看出,该点的应力功率谱的最大值为908MPa^2/Hz,对应频率为23Hz,与模态分析结果第9阶固有频率吻合,模态分析结果显示该阶振型为管路的摆动。
图5 应力最大位置节点的应力响应功率谱
3 管路优化分析与试验
为改善管路的随机振动性能,对排气管进行优化,增加排气管的长度,以减少振动台通过压缩机传递到管路的振动,并在管路间增加橡胶连接以减少管路自身的振动,优化后管路如图6所示。
图6 管路优化方案
优化后的随机振动仿真均方根应力如图7所示,最大应力转移到冷凝管拐角处,四通阀处应力大大降低,四通阀处位置的应力由优化前的91.7MPa下降到12.6MPa,降低了86%,得到的3σ应力为37.8MPa,满足随机振动强度要求。
图7 优化后空调管路均方根应力云图
图8 优化后四通阀位置节点的应力响应功率谱
选取优化前四通阀位置节点4126,该点的应力功率谱如图8所示,从图中可以看出应力功率谱最大为64MPa^2/Hz,相比优化前,峰值降低了93%。
为了验证管路优化方案的可行性,将优化后的空调管路进行随机振动试验,试验后管路如图9所示,管路合格。
图9 随机振动试验后管路
5 结论
本文以某空调管路为研究对象,采用HyperWorks建立其有限元模型,然后对其随机振动特性进行分析,具体结论如下:
1.根据随机振动分析结果,对管路进行优化设计,优化方案管路四通阀处的应力降低了86%,管路的随机振动性能得到提升。
2.优化后管路随机振动试验合格,表明在产品设计和开发初期中运用有限元分析方法对空调管路随机振动性能进行预测和优化,能提高空调管路一次通过随机振动试验的概率,缩短开发周期,降低开发成本,对管路设计具有一定的指导意义。