基于運(yùn)輸工況的空調(diào)外機(jī)頂蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

歐均蘭周軍

(1.河源理工學(xué)校 廣東河源 517000；2.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

基于運(yùn)輸工況的空調(diào)外機(jī)頂蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

歐均蘭1周軍2

(1.河源理工學(xué)校 廣東河源 517000；2.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

文中對(duì)空調(diào)在流通運(yùn)輸過程中的部件變形和損壞進(jìn)行了原因分析；并進(jìn)行了有效的外機(jī)隨機(jī)振動(dòng)的CAE分析和評(píng)估，確定了外機(jī)頂蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)和踐踏的振動(dòng)性能要求，分析了頂蓋的剛度貢獻(xiàn)分布，同時(shí)對(duì)頂蓋進(jìn)行了形貌優(yōu)化，大大提高了頂蓋剛度性能。

隨機(jī)振動(dòng)；PSD；形貌優(yōu)化；剛度貢獻(xiàn)

空調(diào)產(chǎn)品在流通運(yùn)輸過程中，由于產(chǎn)品搬運(yùn)中的多層堆碼和人工踐踏等現(xiàn)象，常常會(huì)造成空調(diào)產(chǎn)品的部件和外表?yè)p害。另外，受運(yùn)輸工具自身振動(dòng)和外界流通環(huán)境影響而引起產(chǎn)品振動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)品表面擦傷或漆脫落、部件變形、斷裂等損壞。特別是外界激勵(lì)力與產(chǎn)品部件固頻一致或接近時(shí)，引起共振現(xiàn)象導(dǎo)致產(chǎn)品損壞甚至失效，嚴(yán)重影響空調(diào)質(zhì)量品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

空調(diào)外機(jī)頂蓋是保證空調(diào)產(chǎn)品部件在搬運(yùn)中受多層對(duì)碼和人工踐踏等作用而不被損壞的最后一道防線，也是最主要的保護(hù)層。外機(jī)頂蓋的合理設(shè)計(jì)，可以大大減少空調(diào)產(chǎn)品在流通運(yùn)輸中的破壞。本文根據(jù)空調(diào)在流通運(yùn)輸中常見的變形和損壞問題，進(jìn)行原因分析，從而尋求其有效的外機(jī)頂蓋優(yōu)化方案。針對(duì)分析原因，根據(jù)一定的優(yōu)化理論，結(jié)合CAE分析和優(yōu)化方法，對(duì)空調(diào)部件進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，給出有效的優(yōu)化方案和解決思路，保障產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 頂蓋結(jié)構(gòu)靜剛度

空調(diào)外機(jī)結(jié)構(gòu)中，頂蓋下面是的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷凝器和電器盒部件等重要部件，頂蓋設(shè)計(jì)不合理會(huì)直接導(dǎo)致這些部件的變形和損壞，甚至失效?？照{(diào)產(chǎn)品在流通運(yùn)輸中的振動(dòng)和損壞評(píng)估，在設(shè)計(jì)階段通常通過人工踐踏實(shí)驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行。圖1為空調(diào)產(chǎn)品在模擬搬運(yùn)過程中的多工況人工踐踏實(shí)驗(yàn)時(shí)，造成的空調(diào)部件破壞，其中左圖為經(jīng)過多工況踐踏實(shí)驗(yàn)后，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致風(fēng)葉離導(dǎo)流圈過近，這會(huì)引起風(fēng)機(jī)系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生異常噪聲，甚至發(fā)生與導(dǎo)流圈的碰響情況，存在安全隱患；右圖為經(jīng)過多工況踐踏實(shí)驗(yàn)后，冷凝器翅片發(fā)生的塑性變形，嚴(yán)重影響換熱效率，從而降低空調(diào)制冷和制熱性能。

圖1 產(chǎn)品踐踏實(shí)驗(yàn)的破壞

圖2 PSD曲線

圖3 頂蓋1σ應(yīng)力云圖

頂蓋在踐踏靜態(tài)作用下產(chǎn)生較大的變形，直接作用在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷凝器和電器盒部件等重要部件上，造成它們相應(yīng)塑性變形和損壞，這主要是由于外機(jī)頂蓋靜剛度不足造成。為了改善空調(diào)部件變形和損壞情況，需提高頂蓋的靜剛度，保證頂蓋有足夠的抵抗變形的能力。

2 整機(jī)隨機(jī)振動(dòng)分析

圖4 頂蓋某單元PSD響應(yīng)及對(duì)應(yīng)振型

空調(diào)產(chǎn)品在流通運(yùn)輸過程中，除了受產(chǎn)品堆碼和人為踐踏等作用外，同時(shí)也受到運(yùn)輸工具自身振動(dòng)和外界流通環(huán)境等激勵(lì)力。當(dāng)外界激勵(lì)力與產(chǎn)品部件固頻一致或接近時(shí)，極易引起共振現(xiàn)象導(dǎo)致產(chǎn)品損壞，甚至失效。由于外界激勵(lì)力的多樣性和影響因素的隨機(jī)性，產(chǎn)品運(yùn)輸屬于復(fù)合的隨機(jī)振動(dòng)情況，通常用功率譜(PSD)曲線描述。隨機(jī)振動(dòng)分析是建立在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析所得到的結(jié)構(gòu)振型和固有頻率基礎(chǔ)上，根據(jù)特定的功率譜密度求解出結(jié)構(gòu)在隨機(jī)激勵(lì)下的位移和應(yīng)力等響應(yīng)。本文將對(duì)空調(diào)整機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，獲取外機(jī)部件相應(yīng)載荷譜下的加速度響應(yīng)，并對(duì)頂蓋單元進(jìn)行PSD功率譜計(jì)算，評(píng)估外機(jī)頂蓋抗隨機(jī)振動(dòng)性能和動(dòng)剛度性能。

2.1 功率譜密度

圖5 原機(jī)頂蓋模態(tài)

表1 優(yōu)化方案對(duì)比

產(chǎn)品在公路運(yùn)輸過程中，其振動(dòng)與路面狀況，行駛速度、車輛減振性能和載重等因素密切相關(guān)，其中受公路路面的起伏和不平度影響最大。研究表明，公路運(yùn)輸中隨機(jī)振動(dòng)加速度功率譜密度在垂直方向最大，橫向次之，縱向最小[1]。我國(guó)公路隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度曲線是卡車不同負(fù)載條件下，以勻速50km/h的速度行駛在瀝青柏油公路上時(shí)采集的垂直振動(dòng)強(qiáng)度曲線。國(guó)標(biāo)GB/ T 4875.23-2003列舉的美國(guó)隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度曲線顯示，低頻區(qū)公路運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)加速度譜密度最大，而空運(yùn)時(shí)的振動(dòng)在高頻表現(xiàn)非常強(qiáng)烈，鐵路運(yùn)輸在全頻率段無差別并且振動(dòng)都較小。本文參照國(guó)標(biāo)GB/T 4875.23-2003公路譜曲線，選擇低高頻都更嚴(yán)厲的加速度功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)，具體如圖2所示。

2.2 PSD譜分析

圖6 長(zhǎng)度方向優(yōu)化

圖7 寬度方向優(yōu)化

圖8 較密起肋分布

圖9 最密起肋分布

建立空調(diào)整機(jī)有限元模型，根據(jù)上述PSD曲線，對(duì)空調(diào)整機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。外機(jī)頂蓋隨機(jī)振動(dòng)分析的1σ應(yīng)力分布云圖如圖3所示，3σ應(yīng)力也非常小，遠(yuǎn)低于材料強(qiáng)度極限，即隨機(jī)振動(dòng)中材料所受的最大應(yīng)力大于3σ應(yīng)力值的概率為0.3%，外機(jī)頂蓋強(qiáng)度性能足夠，無壽命問題。然而分析顯示，外機(jī)頂蓋在隨機(jī)振動(dòng)中，存在密集的豎直方向的模態(tài)，極易被激起振動(dòng)，引起相關(guān)的振動(dòng)和變形問題。

2.3 PSD功率譜計(jì)算

為深入研究外機(jī)頂蓋在隨機(jī)振動(dòng)中動(dòng)力學(xué)特性，選擇關(guān)注頂蓋單元進(jìn)行PSD功率譜計(jì)算。頂蓋單元PSD功率譜計(jì)算結(jié)果如圖4所示，激勵(lì)頻率29.6Hz時(shí)，頂蓋振動(dòng)最大，對(duì)應(yīng)為頂蓋豎直方向振型，頂蓋動(dòng)剛度性能較差。公路運(yùn)輸中低頻區(qū)振動(dòng)能量最大，非常容易引起產(chǎn)品部件的共振，從而導(dǎo)致相應(yīng)的振動(dòng)和變形問題。因此，有必要對(duì)頂蓋進(jìn)行剛度性能優(yōu)化，提高其剛度性能，減少相應(yīng)振動(dòng)或共振帶來的損壞發(fā)生。

3 頂蓋形貌優(yōu)化

根據(jù)PSD分析顯示，頂蓋在隨機(jī)振動(dòng)中，易被激起振動(dòng)，并引起其他部件振動(dòng)。同時(shí)，在空調(diào)產(chǎn)品踐踏和堆碼試驗(yàn)中，頂蓋是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷凝器和電器等部件的直接保護(hù)，是最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是較薄弱環(huán)節(jié)。故提高外機(jī)頂蓋剛度，增強(qiáng)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，冷凝器和電器盒等部件保護(hù)十分必要。形貌優(yōu)化是板形結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的肋分布的概念設(shè)計(jì)方法，非常適用于鈑金型材的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，來提高結(jié)構(gòu)剛度[2]。

3.1 剛度貢獻(xiàn)率

原機(jī)頂蓋模態(tài)如圖5所示，第一階彎曲模態(tài)固頻為27Hz，基于密度法對(duì)頂蓋進(jìn)行自由肋的形貌優(yōu)化，以剛度性能最大為目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。紅色區(qū)域?yàn)轫斏w剛性貢獻(xiàn)率最大區(qū)域，且主要加強(qiáng)肋沿寬度方向分布。

3.2 加肋方向設(shè)計(jì)

沿頂蓋長(zhǎng)度和寬度方向分別進(jìn)行加肋優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖6和圖7所示，長(zhǎng)度方向分布加強(qiáng)肋固頻可提升至33.3Hz，寬度方向分布加強(qiáng)肋固頻可提升至41.3Hz，故為提高頂蓋剛度性能，優(yōu)先選用寬度方向起肋。

3.3 加肋疏密設(shè)計(jì)

為研究加強(qiáng)肋分布疏密對(duì)頂蓋剛度性能的影響，沿頂蓋寬度方向分別進(jìn)行不同疏密程度的加肋優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖8和圖9所示，較疏的加強(qiáng)肋分布固頻可提升至43.1Hz，較密的加強(qiáng)肋分布固頻可提升至46.7Hz，故為提高頂蓋剛度性能，盡量選用密集的起肋分布。

3.4 頂蓋優(yōu)化方案及驗(yàn)證

優(yōu)化方案對(duì)比如表1所示?；谝陨蟽?yōu)化方案，寬度方向最密的加強(qiáng)肋分布，對(duì)頂蓋剛度性能提升效果最好，頂蓋第一階彎曲模態(tài)固頻由27Hz提升46.7Hz，頂蓋剛度性能得到大大提升。

根據(jù)頂蓋最佳優(yōu)化方案，進(jìn)行整體多工況踐踏實(shí)驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，空調(diào)產(chǎn)品風(fēng)機(jī)系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形；冷凝器翅片無明顯壓扁現(xiàn)象；電器盒等部件無異常破損。故優(yōu)化頂蓋剛度性能的提升能有效地保證空調(diào)部件在流通運(yùn)輸中的可靠性。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)空調(diào)產(chǎn)品人工踐踏實(shí)驗(yàn)損壞分析，確定了頂蓋靜剛度性能較差、抗變形不足是空調(diào)部件變形和損壞的原因。

（2）結(jié)合國(guó)標(biāo)公路譜低頻區(qū)和空運(yùn)高頻區(qū)，選擇了更嚴(yán)厲的功率譜密度載荷；整機(jī)隨機(jī)振動(dòng)分析顯示，頂蓋強(qiáng)度性能足夠，但動(dòng)剛度性能一般，極易被激起發(fā)生共振，造成相應(yīng)變形和振動(dòng)。

（3）基于密度法，對(duì)頂蓋進(jìn)行了形貌優(yōu)化；在頂蓋剛度性能提升方面，寬度方向加強(qiáng)肋分布優(yōu)于長(zhǎng)度方向，較密的加強(qiáng)肋分布優(yōu)于較疏加強(qiáng)肋分布；頂蓋最終優(yōu)化方案通過了踐踏實(shí)驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

[1]汪苗苗.平板電視緩沖包裝件的力學(xué)特性研究.東北林業(yè)大學(xué)碩士論文[D],2010:11-12

[2]賈維新,郝志勇,楊金才.基于形貌優(yōu)化的低噪聲油底殼設(shè)計(jì)研究.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)[J],2007,41(5):770-771

Structural optimization of cover in outdoor unit of air conditioner base on transport

OU Junlan1ZHOU Jun2
(1.Heyuan Science and Technology school, of Heyuan Heyuan 517000; 2.Refrigeration Institute of Gree Electric Appliances, Inc.of Zhuhai Zhuhai 519070)

In this thesis, the reasons why air conditioner deformation and damage occur during flow and transport are analyzed. The effective CAE analysis and assessment of random vibration for outdoor unit of air conditioner are carried out, and the structural optimization scheme for the cover of the outdoor unit is determined. Base on the performance requirements of random vibration and trampling test, the stiffness contribution of the cover is analyzed, while the cover is optimized by the method of pattern optimization, and the stiffness property of the cover is greatly improved.

Random vibration; PSD; Pattern optimization; Stiffness contribution