空調(diào)配管優(yōu)化應(yīng)力仿真與實(shí)驗(yàn)研究

劉曉明， 楊曉翔， 薛瑋飛

(1． 福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州　350116; 2． 廣東美的制冷家電集團(tuán), 廣東 順德　528311)

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空調(diào)配管優(yōu)化應(yīng)力仿真與實(shí)驗(yàn)研究

劉曉明1， 楊曉翔1， 薛瑋飛2

(1． 福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州350116; 2． 廣東美的制冷家電集團(tuán), 廣東 順德528311)

摘要：針對(duì)某款空調(diào)分體室外機(jī)優(yōu)化前后的管路， 利用有限元仿真技術(shù)建立配管系統(tǒng)力學(xué)模型， 對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析， 得到配管應(yīng)力分布情況. 根據(jù)結(jié)果對(duì)優(yōu)化前后的管路進(jìn)行應(yīng)力測試， 對(duì)仿真分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證. 結(jié)果表明, 仿真分析可以較真實(shí)地反映實(shí)際應(yīng)力分布趨勢, 為配管優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)力測試提供指導(dǎo)， 可節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)周期.

關(guān)鍵詞：空調(diào)； 配管應(yīng)力； 仿真； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 諧響應(yīng)分析

0引言

長期以來， 空調(diào)器配管斷裂問題是困擾空調(diào)制造企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)工作的一個(gè)難題. 通過振幅和固有頻率測試， 可以在一定程度上粗略保證配管設(shè)計(jì)方案工作可靠性， 并且測試過程簡單、 測試效率高. 從前期該分析方法執(zhí)行情況來看， 也存在著一些問題： 如雖采取了嚴(yán)格的振幅控制措施， 仍然出現(xiàn)幾起批量性配管斷裂的事故， 此為現(xiàn)行配管分析手段存在的“漏判”現(xiàn)象. 其實(shí), 決定空調(diào)配管疲勞斷裂與否的主要原因?yàn)楣苈窇?yīng)力大小是否超過銅管的疲勞極限應(yīng)力值. 管路應(yīng)力大小雖與其振動(dòng)情況緊密相關(guān)， 但是在復(fù)雜的工程條件下, 振幅大小與應(yīng)力大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系不易直接判定. 因此， 這很容易在現(xiàn)行振動(dòng)測試方法中出現(xiàn)“漏判”， 并導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)配管斷裂問題.

配管分析中引入應(yīng)力測試項(xiàng)目， 可以代替目前以考核配管強(qiáng)度為目的的振幅和固有頻率測試評(píng)價(jià)項(xiàng)目， 從而更科學(xué)、 準(zhǔn)確地判定配管設(shè)計(jì)方案的工作可靠性. 同時(shí)， 可降低成本， 減少售后維護(hù)費(fèi)用， 縮短研發(fā)周期， 有助于對(duì)市場出現(xiàn)斷管問題的原因作出準(zhǔn)確判斷. 在應(yīng)力測試前對(duì)配管模型進(jìn)行仿真分析， 可得到配管較大應(yīng)力的位置分布， 以指導(dǎo)應(yīng)力測試. 因此， 盧劍偉、 金濤等[1-3]利用有限元軟件對(duì)空調(diào)管路系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力仿真分析， 許顯鈞、 高旭等[4-5]利用ANSYS軟件對(duì)空調(diào)配管進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析.

本研究利用空調(diào)配管動(dòng)力分析及設(shè)計(jì)軟件對(duì)某款空調(diào)室外機(jī)優(yōu)化前后的兩種配管方案進(jìn)行仿真分析， 得到應(yīng)力分布情況， 并與實(shí)際應(yīng)力測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 以驗(yàn)證仿真軟件的可靠性.

1空調(diào)配管優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

空調(diào)配管優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之一是在滿足配管振動(dòng)噪音要求及長期運(yùn)行不發(fā)生斷管的情況下， 降低配管成本[6]. 而降低配管成本最有效的方法是減少原始方案中大量的減振配件及配管材料. 因此， 首先需要了解配管產(chǎn)生振動(dòng)的原因， 并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì). 彎管受力分析見圖1.

而空調(diào)配管系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的主要原因是管道內(nèi)的脈動(dòng)氣流在管道的彎角、 變截面等處產(chǎn)生的激振力[7-9].

脈動(dòng)氣流在管道上述各處產(chǎn)生的激振力計(jì)算方法相同. 空調(diào)管道的內(nèi)部壓力p為脈動(dòng)壓力, 可表示為p=p0+Δp, 則合力F=F0+ΔF， 由圖1可得：

式中：ΔF為激振力振幅；Δp為脈動(dòng)壓力的最大振幅； D為管道內(nèi)徑； β為彎管轉(zhuǎn)角.

在設(shè)計(jì)空調(diào)配管時(shí)， 為了減小配管機(jī)械振動(dòng)， 彎角β不宜過太， 應(yīng)盡可能小， 盡量避免出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎. 同時(shí)， 設(shè)計(jì)空調(diào)配管系統(tǒng)時(shí)， 還要對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析， 對(duì)其在壓縮機(jī)工作頻率激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)(振幅和應(yīng)力)進(jìn)行計(jì)算， 避免其產(chǎn)生機(jī)械共振， 引起管道斷裂， 同時(shí)得到配管較大應(yīng)力的位置分布， 指導(dǎo)應(yīng)力測試.

2空調(diào)配管應(yīng)力仿真分析

采用ANSYS有限元軟件對(duì)空調(diào)配管系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力仿真分析. 在建模時(shí)忽略配管系統(tǒng)非線性因素影響， 并假定其狀態(tài)、 結(jié)構(gòu)及材料的變化都為理想的， 即整個(gè)模型系統(tǒng)可假定為線性系統(tǒng)[10]. 采用空調(diào)配管動(dòng)力分析及設(shè)計(jì)軟件ANSYS單元庫中的單元SHELL63、 SOLID45分別建立壓縮機(jī)、 配管及橡膠底腳仿真模型， 經(jīng)過簡化處理得到配管系統(tǒng)的仿真模型， 以壓縮機(jī)軸線方向?yàn)閆軸， 在壓縮機(jī)距底面1/3高度處對(duì)配管系統(tǒng)施加徑向力、Z向扭矩， 并對(duì)管路施加壓力脈動(dòng)， 在模態(tài)分析基礎(chǔ)上對(duì)空調(diào)配管進(jìn)行壓縮機(jī)工作頻率48 Hz下的諧響應(yīng)分析， 得到整機(jī)及各管路的應(yīng)力分布情況.

施加的徑向力和Z向扭矩是通過對(duì)壓縮機(jī)排氣管口和回氣管口的三向位移進(jìn)行激勵(lì)反求得到的. 壓縮機(jī)廠提供了該機(jī)型壓縮機(jī)的振動(dòng)測試數(shù)據(jù)：

回氣管：X向0.218 mm,Y向0.112 mm,Z向0.064 mm；

排氣管：X向0.165 mm,Y向0.094 mm,Z向0.009 mm.

利用ANSYS軟件反求得到的載荷為：

Z向扭矩： 2 761.036 N·mm； 徑向力： -167.118 N； 而排氣管壓力脈動(dòng)為0.5 MPa， 回氣管壓力脈動(dòng)為0.3 MPa. 配管材料為紫銅， 密度為8 940 kg·m-2， 泊松比0.34， 彈性模量123 MPa， 阻尼比0.02.

表1　原方案諧響應(yīng)分析結(jié)果

2.1原方案有限元分析

原方案配管是工程師根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì), 主要考慮配管的振動(dòng)和噪音是否符合要求, 在配管成本上未多加考慮. 因此管路較長, 且配管上共有兩塊120 mm×80 mm×5 mm的防振膠和一個(gè)直徑12.7 mm、 質(zhì)量106 g的配重塊， 成本較高, 如圖2所示. 諧響應(yīng)分析得到的最大位移值及最大應(yīng)力值見表1， 整機(jī)位移和應(yīng)力分布見圖2， 排氣管和回氣管的應(yīng)力分布見圖3和圖4. 由圖2可知， 整機(jī)最大位移出現(xiàn)在壓縮機(jī)橡膠底腳， 而最大應(yīng)力出現(xiàn)在回氣管第二個(gè)彎位.

由圖3和圖4可知， 原方案回氣管中第2個(gè)彎位與第3個(gè)彎位應(yīng)力值都較大， 而排氣管中第1個(gè)彎位應(yīng)力值最大， 且回氣管最大應(yīng)力值比排氣管最大應(yīng)力值大.

2.2優(yōu)化方案仿真分析

根據(jù)第一節(jié)描述的空調(diào)配管優(yōu)化基礎(chǔ)理論及原方案諧響應(yīng)分析結(jié)果, 綜合考慮各方面因素設(shè)計(jì)出這款室外機(jī)配管的優(yōu)化方案， 以達(dá)到對(duì)配管系統(tǒng)減振降噪、 節(jié)約成本的目的. 優(yōu)化方案配管上只有一個(gè)直徑8 mm、 質(zhì)量72 g的配重塊， 如圖5所示. 諧響應(yīng)分析得到的最大位移值及最大應(yīng)力值見表2， 整機(jī)位移和應(yīng)力分布見圖5， 排氣管和回氣管的應(yīng)力分布見圖6和圖7. 由圖5可知， 整機(jī)最大位移出現(xiàn)在壓縮機(jī)橡膠底腳， 而最大應(yīng)力出現(xiàn)在儲(chǔ)液罐下方管路的第一個(gè)彎位.

表2　優(yōu)化方案諧響應(yīng)分析結(jié)果

由圖6和圖7可知， 優(yōu)化方案回氣管中第1個(gè)彎位最大， 而排氣管中第2個(gè)彎位應(yīng)力值最大， 且排氣管最大應(yīng)力值比回氣管最大應(yīng)力值大. 同時(shí)由表1、 表2和圖6、 圖7可知， 與原方案相比， 優(yōu)化方案配管應(yīng)力值得到顯著改善， 其中回氣管最大應(yīng)力值下降74.9%， 排氣管最大應(yīng)力值下降55.1%.

3空調(diào)配管應(yīng)力測試

利用動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)， 采用電測法對(duì)配管進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試. 測試在安靜的房間內(nèi)進(jìn)行， 無強(qiáng)噪聲干擾， 地面無明顯振動(dòng)干擾； 測試時(shí)的環(huán)境溫度、 濕度等工況按照空調(diào)銷往區(qū)域進(jìn)行調(diào)整， 使其符合當(dāng)?shù)乜照{(diào)使用季節(jié)的平均溫度、 濕度等氣候狀況. 測試時(shí)根據(jù)應(yīng)力仿真分析結(jié)果在應(yīng)力較大部位布置測點(diǎn)， 因此， 在排氣管靠近壓縮機(jī)排氣口的第1、 2、 4個(gè)彎位內(nèi)側(cè)與回氣管靠近壓縮機(jī)回氣口第1、 2個(gè)彎位內(nèi)側(cè)布置測點(diǎn)， 如圖8所示， 由于不知道主應(yīng)力方向， 需要同時(shí)測試橫向和軸向(相對(duì)銅管而言)的應(yīng)變， 然后通過計(jì)算得到主應(yīng)力的大小和方向. 此外， 在制熱和制冷兩種工況下測試啟動(dòng)、 穩(wěn)定運(yùn)行和停機(jī)應(yīng)力值， 各反復(fù)5次， 對(duì)啟動(dòng)、 穩(wěn)定運(yùn)行和停機(jī)三個(gè)階段的應(yīng)力分別記錄考核， 并記錄下每次測試的數(shù)據(jù)， 取平均值為最終結(jié)果.

因?yàn)榭照{(diào)配管較細(xì)， 因此采用柵距為1×1 mm、 電阻為120 Ω的電阻應(yīng)變片. 同時(shí)考慮到配管在工作中溫度發(fā)生較大變化， 為了保證測試結(jié)果準(zhǔn)確， 采用半橋接線法， 在排氣管和回氣管上各粘貼一個(gè)溫度補(bǔ)償片對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償. 應(yīng)變片粘貼于彎位的管壁內(nèi)側(cè)， 包括橫向x和縱向y， 兩應(yīng)變片相互垂直， 如圖9所示. 對(duì)配管可靠性影響最大的是交變載荷導(dǎo)致的疲勞破壞， 因此此處考察的重點(diǎn)是動(dòng)態(tài)應(yīng)變， 如圖10中所示為原方案回氣管第1個(gè)彎位橫向x的測試結(jié)果， 應(yīng)當(dāng)查找記錄的時(shí)域信號(hào)中起伏最大的波形， 用波峰波谷差值的一半作為動(dòng)態(tài)應(yīng)變的幅值大小. 這樣就可得到管路上各彎位的橫向和縱向應(yīng)變值εx和εy. 然后根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí)， 按照下式計(jì)算應(yīng)力：

(1)

進(jìn)而通過下式可以得到最大主應(yīng)力：

(2)

測試結(jié)果顯示制熱工況下的應(yīng)力值比制冷工況下的應(yīng)力值大， 優(yōu)化前后管路各位置制熱工況下運(yùn)行時(shí)5次測試的最大主應(yīng)力平均值如表3所示.

從表3可以看出， 原方案穩(wěn)定運(yùn)行階段， 排氣管最大應(yīng)力出現(xiàn)在排氣管第1個(gè)彎位， 回氣管最大應(yīng)力出現(xiàn)在回氣管第2個(gè)彎位， 且回氣管最大應(yīng)力值比排氣管最大應(yīng)力值大， 這與有限元分析結(jié)果較一致. 優(yōu)化方案穩(wěn)定運(yùn)行階段的應(yīng)力比原方案穩(wěn)定運(yùn)行階段的應(yīng)力小， 排氣管最大應(yīng)力出現(xiàn)在排氣管第2個(gè)彎位， 回氣管最大應(yīng)力出現(xiàn)在回氣管第1個(gè)彎位， 且排氣管最大應(yīng)力值比回氣管最大應(yīng)力值大， 這與有限元分析結(jié)果一致.

表3　原方案及優(yōu)化方案配管運(yùn)行時(shí)的最大主應(yīng)力

4結(jié)語

對(duì)某空調(diào)室外機(jī)優(yōu)化前后的配管系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果來看， 兩者的應(yīng)力趨勢比較吻合， 但是數(shù)值存在一定差距， 這與實(shí)際運(yùn)行工況存在一定誤差有關(guān)聯(lián). 這些誤差包括壓縮機(jī)激勵(lì)力分布、 實(shí)際模型質(zhì)量、 密度及壁厚等. 但從仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體來看， 優(yōu)化后的排氣管、 回氣管的成本及振幅、 應(yīng)力比優(yōu)化前明顯降低. 同時(shí)證明， 仿真分析可以較真實(shí)地反映實(shí)際應(yīng)力分布趨勢, 為配管優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)力測試提供指導(dǎo)， 可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期.

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(責(zé)任編輯： 沈蕓)

Stress simulation and experimental study of an air conditioner pipe before and after optimization

LIU Xiaoming1, YANG Xiaoxiang1, XUE Weifei2

(1． College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China;2. Guangdong Midea Air-Conditioning & Refrigeration Group, Shunde, Guangdong 528311, China)

Abstract:In order to study the stress distribution of an air-conditioner pipe before and after optimization, the theoretical model of pipe system was established by using finite element simulation, and harmonic analysis was done with finite element method. The stress was tested according to the analysis results before and after optimization, and simulation results were verified by experiments. The result shows that the simulation analysis can reflect the actual stress distribution and provide guidance for pipe optimum design and stress experiment. This method can reduce the cycle time of product development process.

Keywords:air conditioner; pipe stress; simulation； optimum design; harmonic analysis

中圖分類號(hào)：TB663

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：國家科技部重大儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2011YQ090009)

通訊作者:劉曉明(1983-)， 實(shí)驗(yàn)師， 主要從事計(jì)算力學(xué)研究， lilianlxm@126.com

收稿日期:2015-03-18

文章編號(hào)：1000-2243(2016)02-0213-06

DOI:10.7631/issn.1000-2243.2016.02.0213