新型空調(diào)外機(jī)鈑金設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

潘 捷，趙 翔

（中國(guó)船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129）

0 引言

近年來，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，帶動(dòng)了空調(diào)制造業(yè)的發(fā)展。2000年至今，空調(diào)制造業(yè)的規(guī)模、技術(shù)都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。現(xiàn)在，中國(guó)已經(jīng)是世界上首屈一指的空調(diào)制造大國(guó)，銷量和產(chǎn)量都排在世界第一梯隊(duì)。伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們不僅僅對(duì)空調(diào)的需求量越來越大，且人們對(duì)空調(diào)的要求不再僅僅只是制冷，空調(diào)的噪聲污染成為了人們衡量產(chǎn)品的重要指標(biāo)。

空調(diào)由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲源有很多?？照{(diào)外機(jī)的噪聲源主要來自壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)，其中由風(fēng)機(jī)帶來的振動(dòng)，是最主要的噪聲源之一。當(dāng)受到激勵(lì)作用時(shí)，由金屬薄板組成的空調(diào)外機(jī)殼體會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的振動(dòng)，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生噪聲。由于室外機(jī)一般是直接或者間接固定在墻壁上，所以產(chǎn)生的共振也是有可能會(huì)引起墻體的共振，可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的后果，如脫落或支架斷裂等。

當(dāng)前，空調(diào)的設(shè)計(jì)是向著美觀和實(shí)用性設(shè)計(jì)，并且原材料價(jià)格的也是日益提升，空調(diào)外機(jī)的鈑金件質(zhì)量也相對(duì)更加輕量化，這會(huì)導(dǎo)致空調(diào)外機(jī)的整體以及局部的結(jié)構(gòu)剛度的下降，從而使得其本身的鈑金件結(jié)構(gòu)振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，使得用戶的日常使用深受影響?？照{(diào)外機(jī)的殼體振動(dòng)引起的噪音主要為低頻率噪音，壓縮機(jī)所產(chǎn)生的噪音和管路系統(tǒng)引起的噪音多為高頻率。由于低頻聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，輻射能力也相對(duì)來說較強(qiáng)，使得所產(chǎn)生的噪音更難以被障礙物阻擋，與壓縮機(jī)和管路系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音相比較下是更容易被用戶接收到。因此，低頻薄板件的振動(dòng)和噪聲是本次設(shè)計(jì)主要研究方向。

1 基本概況

1.1 設(shè)計(jì)目的、意義及技術(shù)要求

本文為降低空調(diào)外機(jī)的噪音，主要通過更換另一種風(fēng)機(jī)來達(dá)成其降低噪音的目的。

現(xiàn)在空調(diào)外機(jī)使用的風(fēng)機(jī)，主要是軸流風(fēng)機(jī)，即入風(fēng)方向與出風(fēng)方向一致，我們稱之為“軸流式”，因?yàn)闅怏w流動(dòng)方向與風(fēng)機(jī)軸流方向平行。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求較高。

本設(shè)計(jì)改進(jìn)方向是將軸流式風(fēng)機(jī)更換為Hillock風(fēng)機(jī)（離心風(fēng)機(jī)），將風(fēng)向進(jìn)行了改變，從空調(diào)外機(jī)兩側(cè)出風(fēng)。Hillock風(fēng)機(jī)的原理是動(dòng)能向勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，改變流體的方向。

因?yàn)榭照{(diào)外機(jī)的核心——風(fēng)機(jī)的改變，空調(diào)外機(jī)的殼體鈑金件和內(nèi)部的管路也需要做出相應(yīng)的改變以適應(yīng)新的風(fēng)機(jī)，即為空調(diào)外機(jī)做出新的殼體鈑金件設(shè)計(jì)。

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及存在的問題

設(shè)計(jì)過程是一個(gè)綜合性、創(chuàng)造性的勞動(dòng)過程，包括整個(gè)設(shè)計(jì)的可行性分析、總體布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析。這些過程都存在對(duì)方案的優(yōu)化問題，即結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于空調(diào)室外機(jī)而言，可以分為壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等的減振降噪。

1.2.1 壓縮機(jī)的減振降噪

制冷壓縮機(jī)是室外空調(diào)機(jī)的重要組成部分。從某種角度來說，制冷系統(tǒng)的制造設(shè)計(jì)研究就是如何將壓縮機(jī)的功率體現(xiàn)發(fā)揮出來。因此，壓縮機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲是室外機(jī)噪聲的主要來源之一，在進(jìn)行空調(diào)外機(jī)減振降噪的設(shè)計(jì)研究中也是主要的研究對(duì)象。張榮婷等結(jié)合理論與實(shí)際，分析周期性噪聲產(chǎn)生的原因，提出了改善低頻噪音的有效相應(yīng)措施[1]。

1.2.2 風(fēng)機(jī)的減振降噪

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的研究人員都在研究改善空調(diào)外機(jī)的軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流流動(dòng)從而達(dá)到空調(diào)外機(jī)的減振降噪的目的。GUE等[2]用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)冰箱風(fēng)扇噪聲進(jìn)行了分析，得到了通過改變風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)，降低風(fēng)扇噪聲的設(shè)計(jì)方案。

1.2.3 配管的減振降噪

于翔麟等[3]通過對(duì)空調(diào)動(dòng)態(tài)特性的研究，提出了相應(yīng)改進(jìn)措施，有效地改善并進(jìn)一步降低空調(diào)的噪聲。

1.3 應(yīng)解決的主要問題

本文設(shè)計(jì)的主要目的是為了降低空調(diào)外機(jī)的噪音，主要是從振動(dòng)入手，使用Hillock風(fēng)機(jī)替換軸流風(fēng)機(jī)。選定Hillock風(fēng)機(jī)后，以Hillock風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和蒸發(fā)器為核心建立外部殼體鈑金件、風(fēng)機(jī)支架和管路等部件。使用Creo建立空調(diào)外機(jī)模型，再使用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，得出空調(diào)外機(jī)的殼體應(yīng)力應(yīng)變分布情況，選取其中比較有代表性的階態(tài)作為空調(diào)外機(jī)殼體的參考數(shù)據(jù)；最后，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)并修正厚度和薄板壓型。主要的研究步驟為：

1）設(shè)計(jì)更換風(fēng)機(jī)后的空調(diào)外機(jī)實(shí)體模型，圍繞風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器使用Creo建立空調(diào)外機(jī)鈑金件三維建模，并設(shè)計(jì)多種壓型方案。

2）將空調(diào)外機(jī)鈑金件的Creo建模模型導(dǎo)入ANSYS中，對(duì)空調(diào)外機(jī)殼體鈑金件進(jìn)行模態(tài)分析，研究應(yīng)力應(yīng)變分布情況并比較優(yōu)化前后的應(yīng)力應(yīng)變。

3）得到ANSYS的模態(tài)分析結(jié)果后，再次針對(duì)空調(diào)外機(jī)鈑金件的參數(shù)、壓型等作出調(diào)整。

2 空調(diào)外機(jī)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)，將軸流風(fēng)機(jī)改為Hillock風(fēng)機(jī)。Hillock風(fēng)機(jī)原理是將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。通過先將氣體加速，然后再減速并且改變氣體流向，從而使動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能，其優(yōu)點(diǎn)在于風(fēng)量小風(fēng)壓都會(huì)很大，風(fēng)機(jī)在工作時(shí)，產(chǎn)生的噪音遠(yuǎn)小于軸流式風(fēng)機(jī)。特點(diǎn)把風(fēng)管內(nèi)介質(zhì)的流向由軸向改為法相或其他方向。

2.1 設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)的原理是以Hillock風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器為核心，建立殼體鈑金件。

空調(diào)外機(jī)的壓縮機(jī)將吸入的低壓制冷劑壓縮成高壓氣體流入冷凝器，室外機(jī)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使通過冷凝器的空氣帶走其部分熱量，使得高壓氣體在常溫下凝結(jié)成高壓液體。高壓液體經(jīng)過過濾器、節(jié)流閥后流入蒸發(fā)器，并在低壓下蒸發(fā)，吸取周圍的熱量[4]。同時(shí)，橫流風(fēng)機(jī)使進(jìn)入蒸發(fā)器翅片間的空氣進(jìn)行熱交換，將制冷后的空氣送入室內(nèi)空調(diào)機(jī)組，達(dá)成制冷降溫的目的。

2.2 Creo 建模

2.2.1 總體設(shè)計(jì)

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是以更換風(fēng)機(jī)為新型設(shè)計(jì)概念。因此首先使用Creo建立Hillock風(fēng)機(jī)模型，見圖1和圖2。Hillock風(fēng)機(jī)是由背部進(jìn)風(fēng)，再由兩側(cè)出風(fēng)的形式，見圖3，和通常所用的家用空調(diào)所安裝的位置并不相同。由于Hillock風(fēng)機(jī)兩側(cè)出風(fēng)，我們將其安裝在空調(diào)外機(jī)整體偏后的位置，并在前面放置壓縮機(jī)等，見圖4。Hillock風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)位置選定后，我們?cè)俜胖谜舭l(fā)器（冷凝器），因?yàn)檎舭l(fā)器通常放置在風(fēng)機(jī)入風(fēng)口前，所以我們選擇將蒸發(fā)器放置在Hillock風(fēng)機(jī)后面，即空調(diào)外機(jī)的背板上面，見圖5和圖6。

圖1 Hillock 風(fēng)機(jī)正面

圖2 Hillock 風(fēng)機(jī)背面

圖3 Hillock 風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 壓縮機(jī)放置示意圖

圖5 蒸發(fā)器放置示意圖1

圖6 蒸發(fā)器放置示意圖2

2.2.2 主要?dú)んw鈑金件模型設(shè)計(jì)

因?yàn)镠illock風(fēng)機(jī)兩側(cè)出風(fēng)，兩側(cè)不對(duì)稱，所以兩側(cè)的出風(fēng)柵格并非對(duì)稱設(shè)計(jì)，依照Hillock風(fēng)機(jī)出風(fēng)口進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖7和圖8所示。為了抗形變的強(qiáng)度以及美觀化考慮，對(duì)前、頂進(jìn)行壓型設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)多種壓型方案（方形、回形、條形），以方便后續(xù)ANSYS進(jìn)行變形分析，見圖9～圖14。

圖7 左側(cè)板出風(fēng)柵格示意圖

圖8 右側(cè)板出風(fēng)柵格示意圖

圖9 前板方形壓型設(shè)計(jì)

圖10 前板回形壓型設(shè)計(jì)

圖11 前板條形設(shè)計(jì)

圖12 頂蓋方形壓型設(shè)計(jì)

圖13 頂蓋回形壓型設(shè)計(jì)

圖14 頂蓋條形壓型設(shè)計(jì)

2.2.3 風(fēng)機(jī)支架設(shè)計(jì)及最終模型

為防止風(fēng)機(jī)在空調(diào)外機(jī)內(nèi)部發(fā)生相對(duì)位置偏移，因此在風(fēng)機(jī)上方，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)支架，將風(fēng)機(jī)與蒸發(fā)器的位置進(jìn)行固定，再將風(fēng)機(jī)支架對(duì)頂蓋支撐設(shè)計(jì)，見圖15。最終裝配模型見圖16。

圖15 風(fēng)機(jī)支架建模

圖16 總體設(shè)計(jì)（隱藏前板與頂蓋）

2.3 ANSYS Workbench 分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)分析是用來確定慣性和阻尼起重要作用時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為的技術(shù)，典型動(dòng)力學(xué)行為如振動(dòng)特性。

2.3.2 ANSYS Workbench 平臺(tái)

ANSYS是ANSYS公司開發(fā)的基于有限元技術(shù)的cae軟件。ANSYS Workbench軟件由于其適應(yīng)性，是當(dāng)今世界上最流行的cae分析軟件之一。ANSYS與市面上大部分的計(jì)算機(jī)畫圖建模軟件，如Creo、AutoCAD等的數(shù)據(jù)都能很好的適配。ANSYS Workbench包含的模塊功能很多，從動(dòng)力學(xué)到流體力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)還有電磁都能很好的進(jìn)行有限元分析，在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

2.3.3 ANSYS 模態(tài)分析

該設(shè)計(jì)分析使用到的是ANSYSWorkbench中的Modal模塊，材料選擇鋁合金。將在Creo建立的空調(diào)外機(jī)鈑金件導(dǎo)入ANSYS中。

考慮到忽略非線性因素，本次分析將模型中各個(gè)組件所有接觸類型定位為Bonded，即綁定接觸，見圖17。常用的網(wǎng)格有4種：六面體、四面體、棱柱和棱錐網(wǎng)格。本模型網(wǎng)格單元總數(shù)約為7萬個(gè)，空調(diào)外機(jī)薄板件上多采用六面體網(wǎng)格，對(duì)于過渡較為復(fù)雜的采用四面體網(wǎng)格以及其他網(wǎng)格。兩者之間的過渡部分自動(dòng)生成棱錐或棱柱網(wǎng)格，見圖18和圖19。

圖17 定義接觸

圖18 網(wǎng)格劃分

圖19 網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)

對(duì)方形、回形、條形三種壓型設(shè)計(jì)分別進(jìn)行模態(tài)分析，模擬空調(diào)外機(jī)結(jié)構(gòu)的前20階結(jié)果，見圖20～圖23。

圖20 方形壓型模態(tài)數(shù)據(jù)

圖21 回形壓型模態(tài)數(shù)據(jù)

圖22 條形壓型模態(tài)數(shù)據(jù)

圖23 壓型模態(tài)條狀圖

模態(tài)分析所得結(jié)果中的位移值和變形趨勢(shì)只是相對(duì)的，代表的是在某一階態(tài)的振動(dòng)量的相對(duì)值，而不是實(shí)際值。通常模型的固有頻率大于試驗(yàn)結(jié)果。在高階模態(tài)振型范圍內(nèi)，其規(guī)律性減弱，所以高階模態(tài)求解的誤差較大。提取前3階模態(tài)的模態(tài)振型圖，見圖24～圖32。

圖24 方形第1 階模態(tài)振型

圖25 方形第2 階模態(tài)振型

圖26 方形第3 階模態(tài)振型

圖27 回形第1 階模態(tài)振型

圖28 回形第2 階模態(tài)振型

圖29 回形第3 階模態(tài)振型

圖30 條形第1 階模態(tài)振型

圖31 條形第2 階模態(tài)振型

圖32 條形第3 階模態(tài)振型

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)帶動(dòng)空調(diào)外機(jī)的振動(dòng)頻率約為48 Hz，所以我們?cè)偃〗Y(jié)果在48 Hz附近的2階頻率，見圖33～圖38。以及倍數(shù)頻率，方形壓型第17階，見圖39。

圖33 方形第5 階模態(tài)振型

圖34 方形第6 階模態(tài)振型

圖35 回形第5 階模態(tài)振型

圖36 回形第6 階模態(tài)振型

圖37 條形第4 階模態(tài)振型

圖38 條形第5 階模態(tài)振型

圖39 方形第17 階模態(tài)振型

所取典型階態(tài)頻率相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力位置及相對(duì)變形量，見表1。

從圖24～圖39及表1可以得出以下結(jié)論和分析：

表1 典型階態(tài)頻率與應(yīng)變表

1）48 Hz附近的2階頻率，小于48 Hz頻率產(chǎn)生的形變和應(yīng)力多集中在側(cè)板，尤其是集中在右側(cè)板發(fā)生形變，大于48 Hz頻率產(chǎn)生的形變和應(yīng)力多集中在前板。

2）空調(diào)外機(jī)殼體的鈑金件其他頻率共振多集中于前板和頂蓋，在96 Hz左右的共振激勵(lì)下，系統(tǒng)鈑金件的形變和應(yīng)力均集中在前板。

從鈑金件模態(tài)分析變形和應(yīng)力分布，后續(xù)研究可從以下2個(gè)方面進(jìn)行：

1）對(duì)鈑金件的壓型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以使空調(diào)外機(jī)的鈑金件模態(tài)振型第5階、6階的固有頻率更好的遠(yuǎn)離48 Hz，以避免左右側(cè)板共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，壓型不宜做的過于簡(jiǎn)單。

2）殼體鈑金件的厚度，由1 mm增加至1.2 mm～1.5 mm。

3 結(jié)論

隨著人們生活水平的不斷提高，空調(diào)外機(jī)的減振降噪研究一直是空調(diào)結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)中關(guān)注的焦點(diǎn)，隨著模擬技術(shù)有限元分析的不斷發(fā)展，利用cae技術(shù)對(duì)空調(diào)外機(jī)的振動(dòng)和形變進(jìn)行預(yù)測(cè)成為了產(chǎn)前必須進(jìn)行的工作。本次設(shè)計(jì)將軸流風(fēng)機(jī)更換為Hillock風(fēng)機(jī)（Hillock風(fēng)機(jī)）的創(chuàng)新下，利用有限元軟件ANSYS Workbench軟件的模態(tài)分析能力，分析了空調(diào)運(yùn)行過程中空調(diào)外機(jī)的鈑金件振動(dòng)和應(yīng)力分布情況，本次設(shè)計(jì)研究工作主要為以下幾個(gè)方面：

通過研究數(shù)據(jù)，為空調(diào)外機(jī)裝配上Hillock風(fēng)機(jī)，從而達(dá)成靜音降噪的目的。以Hillock風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器為核心部件，重新設(shè)計(jì)空調(diào)外機(jī)的殼體鈑金件，適配Hillock風(fēng)機(jī)。使用Creo軟件對(duì)空調(diào)外機(jī)進(jìn)行三維建模。

使用ANSYS Workbench軟件，導(dǎo)入Creo建立的三維模型，對(duì)空調(diào)外機(jī)的鈑金件進(jìn)行模態(tài)分析，空調(diào)外機(jī)的鈑金件的模態(tài)分析結(jié)果顯示：系統(tǒng)的第5階和第6階模態(tài)與空調(diào)外機(jī)工作頻率較為接近，進(jìn)而產(chǎn)生系統(tǒng)共振；鈑金件的壓型可以做的相對(duì)復(fù)雜一些會(huì)提高抗形變的強(qiáng)度。