空調(diào)系統(tǒng)混合建模方法研究

李珊 薛瑋飛 馮錦平

美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528300

1 引言

家用空調(diào)室外機的噪音與振動是空調(diào)設(shè)計中一個不可忽視的問題，尤其是室外機的結(jié)構(gòu)振動，可通過鈑金產(chǎn)生輻射噪音，嚴(yán)重時可能由于長期劇烈振動或共振產(chǎn)生斷管。結(jié)構(gòu)振動通常通過配管設(shè)計進行優(yōu)化，從而降低振動與噪音。

空調(diào)外機的配管設(shè)計需要避開各結(jié)構(gòu)件的固有頻率，在進行實驗驗證前通常需要進行模態(tài)分析。傳統(tǒng)的空調(diào)外機模態(tài)分析在管路的三維模型上需要確定壓縮機以及冷凝器邊板的邊界條件，由于壓縮機和冷凝器的復(fù)雜性，往往均采用固支的方式模擬連接，與真實情況有一定差距，使計算得到的模態(tài)陣型和模態(tài)頻率并不能真實反映實際振動，無法對設(shè)計起到指導(dǎo)作用。

近年來，鄔曉敬等[1]通過遺傳算法以試驗?zāi)B(tài)的頻率和陣型參數(shù)對有限元的邊界條件進行修正。馮海星等[2]研究了模態(tài)綜合法在車身結(jié)構(gòu)動力學(xué)計算中的應(yīng)用。邊杰等[3]利用航空發(fā)動機模擬機匣混合仿真并分析其振動特性，相關(guān)計算思想也在車身，導(dǎo)彈發(fā)射架等結(jié)構(gòu)上進行應(yīng)用[4-7]，但是這種混合建模的思想還未在空調(diào)系統(tǒng)模態(tài)中引入。本文通過計算空調(diào)室外機壓縮機部分的實驗?zāi)B(tài)和管路部分的有限元模態(tài)，采用基于頻響函數(shù)的子結(jié)構(gòu)混合建模方法，計算了空調(diào)系統(tǒng)的整體模態(tài)，從而獲得準(zhǔn)確度更高的模態(tài)參數(shù)。

2 混合建模模型建立

2.1 建模方法

模態(tài)綜合法是通過對復(fù)雜系統(tǒng)進行動力分析，將系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng)再分別計算各子結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)，不能進行有限元建模的復(fù)雜子結(jié)構(gòu)采用實驗?zāi)B(tài)分析的辦法，最后獲得整體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型。圖1為混合建模整體思路流程。

本文以空調(diào)室外機壓縮機、底盤等結(jié)構(gòu)作為實驗?zāi)B(tài)測試模型，以空調(diào)室外機管路系統(tǒng)通過有限元模型仿真得到模態(tài)模型，通過計算兩個子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣，導(dǎo)入有限元軟件中進行混合建模，求得整個空調(diào)室外機系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

2.2 錘擊法試驗?zāi)B(tài)分析

除去空調(diào)室外機的配管系統(tǒng)，僅留壓縮機，冷凝器以及底盤作為壓縮機系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ?，利用錘擊法進行模態(tài)參數(shù)求取。定義激勵點為壓縮機排氣口，響應(yīng)點為閥板，構(gòu)建每個點的幾何坐標(biāo)，使用三向加速度傳感器貼于閥冷凝器接管連接處，低壓閥管連接處，排氣口，回氣口以及閥板。測量各連接點以及響應(yīng)點各方向的頻響曲線，如圖2所示。

如圖2所示，通過錘擊法得到連接點一個方向?qū)憫?yīng)點振幅隨頻率變化的激勵曲線，同理可以得到各個連接點之間的傳遞函數(shù)曲線。

2.3 有限元模態(tài)分析

通過UG三維建模軟件繪制室外機管路系統(tǒng)三維圖，以STP格式導(dǎo)入有限元分析前處理軟件中進行模態(tài)分析。采用自由邊界，設(shè)置材質(zhì)密度ρ=8.9×103kg/cm3，彈性模量E=12.3×1010N/m2，泊松比σ=0.35。計算單獨管路模型的200Hz～300Hz模態(tài)參數(shù)，如圖3所示。

由圖3可知，單獨配管系統(tǒng)的模態(tài)振型可以通過有限元仿真計算得到。由于在空調(diào)管路設(shè)計中主要優(yōu)化對象為管路系統(tǒng)，所以這部分結(jié)構(gòu)采用有限元仿真計算能節(jié)省較大的工作量。同時由于管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對其它零部件材料結(jié)構(gòu)參數(shù)更為簡單，整體系統(tǒng)的模態(tài)仿真結(jié)果更接近真實模態(tài)。

2.4 室外機混合模型建立

繪制壓縮機系統(tǒng)的幾何模型，將測試得到的壓縮機系統(tǒng)實驗?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入所繪制的壓縮機網(wǎng)格模型中，如圖4所示。再導(dǎo)入配管系統(tǒng)的有限元仿真模態(tài)數(shù)據(jù)計算得出其以壓縮機排氣口為激勵點，閥板為響應(yīng)點的頻響函數(shù)。對兩個子系統(tǒng)進行裝配，設(shè)置四個連接點的連接屬性為剛性連接，如圖5所示，通過FRF-Based Substructuring Case模塊進行混合模型頻響函數(shù)計算，阻尼設(shè)置為1.5%，得到從激勵點排氣口到相應(yīng)點閥板間的頻響函數(shù)。

圖1 混合建模整體流程

圖2 連接點-響應(yīng)點頻響曲線

圖3 配管系統(tǒng)200Hz～300Hz模態(tài)振型

3 結(jié)果與分析

通過室外機混合模型子系統(tǒng)頻響函數(shù)計算得到了從排氣口到閥板的頻響函數(shù)。同時，使用傳統(tǒng)有限元模型將壓縮機，閥板以及冷凝器邊板設(shè)為固支邊界，計算其模態(tài)參數(shù)，將計算所得模態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻響函數(shù)。

將配管系統(tǒng)裝入空調(diào)室外機，再次通過錘擊法測得含有配管的室外機系統(tǒng)激勵點—響應(yīng)點的頻響函數(shù)，模態(tài)分析對比曲線如圖6，室外機系統(tǒng)在200Hz到300Hz頻率范圍模態(tài)分析如表1所示。

由圖6可以看出混合建模得到的頻響函數(shù)與實際實驗得到的傳函曲線相對于有限元模型與實驗?zāi)Ｐ偷念l響曲線，吻合度更高，200Hz到300Hz模態(tài)頻率誤差均在2%以內(nèi)，同階固有頻率，混合建模模態(tài)誤差相對于將室外機系統(tǒng)有限元建模模態(tài)固有頻率誤差準(zhǔn)確度至少提升58%，故可以認為，對于復(fù)雜室外機系統(tǒng)來說，混合建模模態(tài)分析能夠更好反應(yīng)系統(tǒng)的模態(tài)特性。

表1 室外機系統(tǒng)誤差分析表

圖4 壓縮機系統(tǒng)模型

圖5 室外機混合建模模型系統(tǒng)

圖6 試驗?zāi)Ｐ汀⒂邢拊Ｐ团c混合建模模態(tài)分析對比

4 結(jié)論

有限元仿真在家用空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面能提供很好的理論指導(dǎo)，減少很多不必要的工作量，但是傳統(tǒng)的有限元仿真由于存在邊界條件無法確定，系統(tǒng)復(fù)雜等因素，模態(tài)參數(shù)仿真計算的結(jié)果與實際模態(tài)試驗結(jié)果相差較大。

本文基于有限元仿真軟件的子結(jié)構(gòu)綜合模塊，通過混合建模構(gòu)建的空調(diào)室外機系統(tǒng)在仿真上具有更高的準(zhǔn)確度，與實際模態(tài)試驗結(jié)果更加吻合，對于家用空調(diào)室外機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考價值和指導(dǎo)意義。