空調(diào)室外機(jī)箱體的數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉忠民，何 超

( 海信科龍電器股份有限公司，佛山 528303 )

1 前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，空調(diào)產(chǎn)品早已走入千家萬戶，而用戶的消費(fèi)需求也越來越高，空調(diào)產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)也不斷升級(jí)，從技術(shù)角度來講，為了支撐產(chǎn)品的快速升級(jí)換代，必須引入更加高效的設(shè)計(jì)方法和手段，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行性能預(yù)測(cè)與優(yōu)化，確?；竟δ艿靡詫?shí)現(xiàn)的前提下，整個(gè)系統(tǒng)的和諧統(tǒng)一。

箱體設(shè)計(jì)除了滿足其支撐效果、安裝便捷、外形美觀等傳統(tǒng)特性外，更深層次的設(shè)計(jì)，是要求箱體具有更加硬朗的值感，即結(jié)構(gòu)剛度；要求其提供良好舒適感受，即優(yōu)良的振動(dòng)噪聲表現(xiàn)。對(duì)室外機(jī)箱體進(jìn)行振動(dòng)優(yōu)化分析，就是要在同樣的激勵(lì)源作用下，箱體振動(dòng)更小，噪聲輻射更小。

隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，用計(jì)算機(jī)數(shù)字模型實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和仿真，減少不必要的物理樣機(jī)，已成為業(yè)界共識(shí)。不過，數(shù)值分析畢竟是對(duì)實(shí)際結(jié)果的物理抽象，不同分析目的需要不同的建模思路，本文通過優(yōu)化完善有限元模型的準(zhǔn)確度，綜合考慮結(jié)構(gòu)靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性，并引入自動(dòng)優(yōu)化仿真分析，建立了一套完善的基于數(shù)值分析的室外機(jī)開發(fā)手段，并運(yùn)用此方法進(jìn)行實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終開發(fā)出了具備行業(yè)領(lǐng)先水平的空調(diào)室外機(jī)產(chǎn)品。

2 主要研究?jī)?nèi)容和思路

本文在載荷識(shí)別充分全面的基礎(chǔ)上，對(duì)傳遞路徑上的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和形貌優(yōu)化分析，并形成規(guī)范化設(shè)計(jì)，具體如下：

首先，引入箱體模態(tài)分析方法，對(duì)單個(gè)鈑金及整個(gè)箱體裝配件進(jìn)行模態(tài)測(cè)試和模態(tài)仿真計(jì)算，并進(jìn)行仿真與試驗(yàn)的對(duì)比，校準(zhǔn)CAE仿真模型，從而為新箱體開發(fā)提供方案評(píng)價(jià)與優(yōu)化指引。

其次，分析現(xiàn)有箱體的設(shè)計(jì)缺陷，包括結(jié)構(gòu)剛度及模態(tài)分布，為新產(chǎn)品開發(fā)提供方向和依據(jù)。

再次，結(jié)合箱體鈑金的特點(diǎn)，對(duì)于關(guān)鍵的模態(tài)分布，引入CAE形貌優(yōu)化手段，以結(jié)構(gòu)剛度的最大化為優(yōu)化目標(biāo)，以低價(jià)固有頻率規(guī)避激勵(lì)頻率為約束條件，在特定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，綜合考慮工藝性要求，進(jìn)行鈑金形貌的自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，從而得到方案優(yōu)化指引。

最后，實(shí)際裝機(jī)測(cè)試驗(yàn)證，通過鈑金加筋設(shè)計(jì)與調(diào)整，在成本不再增加的前提下，大幅提升箱體的剛度。

3 技術(shù)方案及研究過程

3.1 箱體模態(tài)分析方法搭建

室外機(jī)箱體涉及外部面板件和內(nèi)部支撐件，由頂板、前板、側(cè)板及后板、底板、風(fēng)扇支架、中隔板、左連桿等主要件構(gòu)成，其連接使用了螺釘、卡扣、過盈配合幾種方式。室外機(jī)作為平臺(tái)性產(chǎn)品，內(nèi)部搭載系統(tǒng)多變，而基于對(duì)激勵(lì)源特性的解析，運(yùn)用模態(tài)分析方法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，是解決問題的有效途徑。

為了確保仿真分析的準(zhǔn)確性，在分析優(yōu)化之初，同樣進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)校核。本項(xiàng)工作的思路是，首先對(duì)零部件進(jìn)行自由模態(tài)校準(zhǔn)，以獲得準(zhǔn)確的零部件有限元模型，并校正材料屬性的設(shè)置；其次是進(jìn)行箱體裝配狀態(tài)下的對(duì)比修正，以校正連接模擬，邊界條件設(shè)置，最終使整機(jī)的模態(tài)仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果達(dá)到吻合，從而可以在仿真層面完成方案的優(yōu)化、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

3.1.1 主要零部件的CAE校準(zhǔn)

選用B&K模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，依次對(duì)頂板、前板等關(guān)鍵鈑金件進(jìn)行自由模態(tài)試驗(yàn)，測(cè)試中通過橡皮繩懸掛以模擬自由邊界條件，同時(shí)選取合適的測(cè)試布點(diǎn)方案，移動(dòng)力錘法進(jìn)行頻響測(cè)試，最后在Reflex軟件中進(jìn)行模態(tài)提取，得到各鈑金件的測(cè)試結(jié)果；同時(shí)，依據(jù)各結(jié)構(gòu)的三維UG模型，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，不斷調(diào)整網(wǎng)格策略和材料參數(shù)，進(jìn)行仿真完善。圖1、圖2列出部分結(jié)構(gòu)的測(cè)試布點(diǎn)圖以及部分仿真數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過修正，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量最大的低頻段，仿真與測(cè)試的結(jié)果達(dá)到了高度吻合：陣型完全對(duì)應(yīng)，固有頻率偏差大致在5%。

3.1.2 箱體整機(jī)的模態(tài)仿真

在零部件有限元模型完成后，為了模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的箱體，將各鈑金件按照實(shí)際的連接方式進(jìn)行裝配，對(duì)螺釘連接的孔位施加除軸向旋轉(zhuǎn)以外的約束，對(duì)鈑金搭接位置用一定剛度的彈簧連接模擬，對(duì)卡扣位置進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)處理等，完成箱體整機(jī)的有限元分析模型搭建。與零部件的分析過程一樣，同樣對(duì)整機(jī)進(jìn)行仿真與測(cè)試比對(duì)，測(cè)試方法和工具與零部件測(cè)試類似，但整機(jī)進(jìn)行的是約束模態(tài)測(cè)試，因?yàn)閷?shí)際樣機(jī)是固定在安裝座上的，測(cè)試也必須選用同樣的方式進(jìn)行。

圖1 前板及側(cè)板的測(cè)試布點(diǎn)(左：前板，右：側(cè)板)

圖2 前板及側(cè)板的仿真與測(cè)試對(duì)比(左：前板，右：側(cè)板)

圖3 箱體模態(tài)測(cè)試布點(diǎn)

通過不斷進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，最終使二者結(jié)果基本吻合，達(dá)到工程使用的精度，得到了滿足分析要求的整機(jī)模型。圖3、圖4和圖5列出了整機(jī)模態(tài)測(cè)試布點(diǎn)和仿真模型圖，以及仿真測(cè)試結(jié)果比對(duì)圖。

圖4 箱體仿真模型

圖5 箱體仿真與測(cè)試結(jié)果比對(duì)

圖6 剛度分析加載位置

3.2 剛度分析與模態(tài)分析

3.2.1 原箱體的剛度分析

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，剛度分析選取了190kg力，施加在被測(cè)鈑金的直徑為30mm的圓形區(qū)域，計(jì)算其最大位移量。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，頂板分左、中、右三個(gè)加載工況，前板分上、中兩個(gè)加載工況，側(cè)板取中間位置加載工況分別進(jìn)行計(jì)算，如圖6所示。

經(jīng)計(jì)算，三鈑金件的變形云圖如圖7所示。

圖7 原箱體形變?cè)茍D

這里在作分析時(shí)，假定鈑金件材料一直處于彈性范圍內(nèi)，即只考慮彈性變形，實(shí)際可能會(huì)產(chǎn)生塑性變形等非線性情況，因此結(jié)果僅用于定性對(duì)比。

從鈑金的變形圖上看，形變區(qū)域集中在加載區(qū)域附近很小的范圍內(nèi)，這顯示了局部變形過大，整體剛度較差，可以看出，頂板兩側(cè)及前板的剛度相對(duì)較低，新箱體方案將著重優(yōu)化此部分。

3.2.2 原箱體的模態(tài)分析

從模態(tài)分析的角度看，優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則是使箱體低階固有頻率盡量遠(yuǎn)離激勵(lì)源頻率，具體來說，就是使第一階非剛體模態(tài)固有頻率在25Hz以上，低階固有頻率避開48Hz(50Hz電源機(jī)型)、57Hz(60Hz電源機(jī)型)、44Hz(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻)及其倍頻、3倍頻等頻率點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)于變頻機(jī)型，要求其100Hz內(nèi)模態(tài)盡量少。

運(yùn)用前述整機(jī)有限元建模思路，就可以研究分析現(xiàn)有箱體的模態(tài)分布情況，并以此擬定新箱體優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，根據(jù)現(xiàn)有箱體的UG三維模型，導(dǎo)入有限元分析軟件，設(shè)定好邊界條件，提取的部分模態(tài)固有頻率如表1及圖8所示。

表1 原箱體部分固有頻率

圖8 原箱體前八階模態(tài)陣型

分析結(jié)果反映出兩個(gè)問題：

(1)原箱體的低階固有頻率很低，前板第一階固有頻率為34.2Hz，而且低頻段結(jié)構(gòu)固有頻率密集，前八階模態(tài)均分布在85Hz以下，整體剛性偏低；

(2)對(duì)于定頻機(jī)，箱體存在第4階、第8階兩階模態(tài)共振的風(fēng)險(xiǎn)，而對(duì)于變頻機(jī)，因?yàn)榈皖l段的模態(tài)較多，箱體規(guī)避共振點(diǎn)的難度較大。

基于上述分析，對(duì)新箱體開發(fā)優(yōu)化的方向，主要從提升鈑金剛度，提升結(jié)構(gòu)固有頻率，規(guī)避共振這幾方面進(jìn)行。

3.3 形貌優(yōu)化與驗(yàn)證

3.3.1 基于形貌優(yōu)化的新箱體開發(fā)

結(jié)合上部分對(duì)現(xiàn)有箱體的分析結(jié)果，分頂板、前板、側(cè)板及后板進(jìn)行針對(duì)性的形貌優(yōu)化，以結(jié)構(gòu)剛度的最大化為優(yōu)化目標(biāo)，以低價(jià)固有頻率規(guī)避激勵(lì)頻率為約束條件，選取各面板的平板區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)區(qū)間，考慮沖壓等相關(guān)工藝的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)各大面板件依次進(jìn)行形貌優(yōu)化。

新箱體開發(fā)過程中，基于有限元仿真的形貌優(yōu)化，快速獲得了改善思路，鈑金及各零部件的設(shè)計(jì)以此為基礎(chǔ)展開，綜合考慮外觀、加工工藝、系列化及成本等方面因素，反復(fù)手板試制與改進(jìn)后，形成最終的結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。

圖9 基于形貌優(yōu)化的箱體結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了面板剛度的提升，因此同樣的剛度需求下，可以適當(dāng)降低鈑金件的厚度，新箱體除了外觀的改變，還對(duì)部分鈑金件進(jìn)行了減薄優(yōu)化，定型后的各結(jié)構(gòu)厚度如表2所示。

表2 新舊箱體鈑金厚度對(duì)比(單位：mm)

3.3.2 新箱體改善效果驗(yàn)證

在原箱體的分析及新箱體優(yōu)化過程中，已經(jīng)完善了數(shù)值仿真模型，因而可以進(jìn)行虛擬樣機(jī)的效果驗(yàn)證，包括新箱體剛度驗(yàn)證和模態(tài)驗(yàn)證。

3.3.2.1 剛度驗(yàn)證

使用前述有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行與原箱體的參數(shù)設(shè)置和加載方式，對(duì)新結(jié)構(gòu)方案依次進(jìn)行剛度分析，得到的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

表3 新舊箱體剛度提升對(duì)比

圖10 新箱體形變?cè)茍D

從變形云圖上看，在同樣的加載情況下，新箱體形變區(qū)域更大，即之前的局部形變轉(zhuǎn)換為更大區(qū)域的整體形變，這將降低最大變形量，意味著整體剛度增強(qiáng)，提取計(jì)算結(jié)果，得到與原箱體相應(yīng)的對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示：

對(duì)比可知，通過加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，新箱體鈑金剛度有明顯的提升，提升幅度最高達(dá)2倍以上，其中前板、頂板左右側(cè)剛度提升明顯，與我們的預(yù)期目標(biāo)一致。

3.3.2.2 模態(tài)驗(yàn)證

按照原箱體分析的思路和設(shè)置，進(jìn)行新箱體仿真建模，新箱體整體單元數(shù)量202421個(gè)，其中體單元數(shù)量8452個(gè)，同樣對(duì)地腳螺栓位置施加約束，最終計(jì)算得到200Hz以內(nèi)的模態(tài)結(jié)果如圖11所示。

圖11 新箱體前八階模態(tài)陣型

對(duì)比原箱體的分析結(jié)果，新箱體低階固有頻率有了大幅提升，以各鈑金的第一階模態(tài)為例，頂板固有頻率提升14%，前板第一階局部模態(tài)，固有頻率由原來的60.8Hz，提升至104.6Hz，提升幅度達(dá)72%，即通過加筋設(shè)計(jì)，改善了鈑金件的剛度；另外，對(duì)定頻機(jī)而言，側(cè)板一階固頻57.3Hz與激勵(lì)頻率58Hz(60Hz電源)接近，而觀察此階陣型，其固有頻率與電器盒的支撐有關(guān)，仿真中不可避免的作了簡(jiǎn)化，實(shí)際效果應(yīng)以振動(dòng)測(cè)試為準(zhǔn)。其他固有頻率基本避開了激勵(lì)源頻率，結(jié)構(gòu)共振可能性較小，而對(duì)于變頻機(jī)，壓縮機(jī)基頻(60Hz)以下的固有頻率僅有兩個(gè)，也比較容易規(guī)避共振。所以，從模態(tài)角度來判斷，新箱體方案實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。

3.3.2.3 空調(diào)裝機(jī)實(shí)測(cè)

新箱體通過模態(tài)設(shè)計(jì)與形貌優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，經(jīng)過多輪的手板機(jī)驗(yàn)證和正式樣機(jī)的對(duì)比測(cè)試，已經(jīng)確定了新箱體在振動(dòng)噪聲方面的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的新箱體，在成本降低5%的基礎(chǔ)上，整機(jī)振動(dòng)小于原箱體，最大降幅達(dá)37%。整機(jī)噪聲降低約2～3dB?，F(xiàn)新箱體方案已經(jīng)推向產(chǎn)品應(yīng)用。下面以某測(cè)試機(jī)型為例，在其他系統(tǒng)件完全一致，工況相同的情況下，對(duì)比了新舊箱體的振動(dòng)噪聲表現(xiàn)如表4所示。

表4 室外箱體振動(dòng)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文通過對(duì)室外機(jī)模態(tài)仿真與試驗(yàn)進(jìn)行的專項(xiàng)對(duì)比研究，分步驟完成空調(diào)關(guān)鍵零部件，以及整機(jī)層級(jí)的有限元仿真校準(zhǔn)，通過對(duì)仿真參數(shù)的反復(fù)調(diào)試，使數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差穩(wěn)定在5%左右的范圍內(nèi)，保證了仿真優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。鑒于室外機(jī)箱體大部分為鈑金結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面優(yōu)化的合理策略是改變鈑金形貌，為了快速準(zhǔn)確的得到優(yōu)化方向，本文借助CAE工具，引入形貌優(yōu)化分析方法，即在板型結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強(qiáng)筋分布，以剛度最大化為目標(biāo)，以規(guī)避各階共振點(diǎn)為約束條件，完成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)而以此為指導(dǎo)，得到了新箱體的具體結(jié)構(gòu)形式。

測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的新箱體，在成本降低5%的基礎(chǔ)上，鈑金剛度提升幅度最高達(dá)2倍以上，整機(jī)振動(dòng)小于原箱體，最大降幅達(dá)37%，整機(jī)噪聲降低約2～3dB。

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