風機安裝結構隨機振動分析與優化

李鵬

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

風機安裝結構隨機振動分析與優化

李鵬

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

本文通過隨機振動和模態實驗，對風機系統安裝結構進行了損壞評估和原因分析；針對分析原因，進行了風機結構隨機振動的CAE分析、評估和優化，確定了風機系統安裝結構的優化方案；結合CAE分析和隨機振動實驗，進行了其結構分析和驗證，實驗表明優化結構大大提高了風機系統剛度性能，避免了道路運輸中的產品損壞。

隨機振動；PSD；模態實驗

隨著市場經濟環境和生活水平的不斷提高，家用中央空調和一些特種空調普及率更廣，各種惡劣的道路運輸工況層出，空調產品運輸可靠性面臨挑戰日益嚴峻。為了提高空調性能，家用中央空調和特種空調中，質量大、直徑大和高度高的金屬風葉的風機系統運用最常見，這給風機系統安裝結構在運輸中的可靠性帶來挑戰。在運輸過程中，外界激勵力與產品部件固頻一致或接近時，引起共振現象導致產品損壞，甚至失效，嚴重影響空調質量品質和市場競爭力。

本文通過隨機振動和模態實驗變形對某風機系統安裝結構進行了損壞評估和原因分析，從而尋求其有效的風機安裝結構優化方案。針對分析原因，根據一定的優化理論，結合CAE分析和優化方法，對風機系統安裝結構進行相應優化，給出有效的優化方案和解決思路，保障產品運輸的可靠性。

1 風機系統隨機振動實驗

1.1 功率譜密度

產品在公路運輸過程中，其振動與路面狀況，行駛速度、車輛減振性能和載重等因素密切相關，其中受公路路面的起伏和不平度影響最大。隨機振動是不能用時間的確定函數來描述的一種振動現象，但存在一定的統計規律，可用該現象的統計特性進行描述，即在震動頻率范圍內描述。通常情況下，描述隨機振動載荷或響應的方式是功率譜密度函數。設計載荷最普遍采用是加速度峰值響應等效，即設計載荷所產生的加速度響應等于隨機振動中的加速度響應峰值[1]。在外載荷激勵下，加速度響應等效公式為：

式中，Fa為設計載荷，M為質量矩陣，F(t)為隨機載荷，K為剛度矩陣，C為阻尼矩陣，x為位移向量，為速度向量，為加速度向量。

研究表明，公路運輸中隨機振動加速度功率譜密度在垂直方向最大，橫向次之，縱向最小[2]。我國公路隨機振動功率譜密度曲線是卡車不同負載條件下，以勻速50km/h的速度行駛在瀝青柏油公路上時采集的垂直振動強度曲線。本文參照國標GB/T 4875.23-2003公路譜曲線，選擇低高頻都更嚴厲的加速度功率譜密度標準，具體如圖

1所示。

圖1 PSD曲線

圖2 風機系統隨機振動破壞

圖3 風機系統FRF

圖4 風機系統第一階振型

圖5 原風機系統前2階振型

圖6 優化方案前2階振型

1.2 隨機振動實驗

參照上述加速度功率譜密度，將風機系統固定在振動臺上，沿豎直方向進行振動8小時，拆開風機系統檢查，風機系統破壞如圖2所示。風機系統與安裝網之間的4個螺栓被拉斷，風機系統掉落。風機系統固定螺栓由于疲勞被拉斷，主要可能由于在掃頻過程中，振動激勵與風機系統某階模態相近或相同，引起共振，產生嚴重的破壞。

2 風機系統模態測試

為了更深入分析風機系統隨機振動破壞的原因，對風機系統進行模態測試。通過錘擊法，帶寬126Hz，譜線數256，建立8點幾何，采用4個三向傳感器分兩次測量，完成風機系統模態測試。風機系統FRF如圖3所示，風機系統第一階固頻為11.3Hz，對應振型為電機的上下振動模態，具體如圖4所示。

根據以上分析，為解決風機系統隨機振動過程中螺栓拉斷問題，調整風機系統第一階模態是有效的方案。

3 結構優化

針對風機系統，建立有效的CAE模型，進行相應模態分析和隨機振動分析，并根據分析結果進行風機系統結構優化和驗證，從而解決隨機振動過程風機系統螺栓拉斷問題，保證空調產品運輸的可靠性。

風機系統模態分析顯示，電機上下振動振型對應模態是主要原因，通過結構調整提升或避免該階模態能有效解決運輸破壞問題；風機系統隨機振動分析顯示，風機系統最大1σ應力分布于螺栓上，通過結構調整轉移或均布其最大應力是有效的方案。綜上所述，雖然原風機系統網罩結構有較細的圓環，但直徑太小，整個風機系統仍存在低頻的上下振動模態。故對原風機系統進行增加加強圓環處理，直徑與4根主要支撐臂相同，具體分析和驗證在下文詳述。

3.1 模態分析和驗證

對原風機系統和優化方案進行模態分析，前5階固頻如表1所示，優化方案風機系統第一階固頻顯著提升。道路運輸和隨機振動掃頻過程，能量主要集中在低頻，第一階模態的提升，能大大減小風機系統相應部件能量的沖擊。

圖7 原風機系統1σ應力分布

圖8 優化方案1σ應力分布

表1 風機系統前5階固頻

原風機系統前3階模態均為電機模態，第1階為電機上下振動模態，對應固頻為12Hz，這是隨機振動掃頻實驗中極易引起電機共振的模態；第2階和第3階為電機其他兩個方向振動模態，具體詳見圖5所示。優化方案風機系統前2階為電機沿非上下方向的振動模態，第3階為整個安裝鈑金鐵板的上下模態，對應固頻為23.7Hz，具體詳見圖6所示。在隨機振動掃頻過程中電機不會出現單獨共振而拉斷螺栓，能有效解決原風機運輸破壞問題。

3.2 隨機振動分析和驗證

根據隨機振動實驗要求，如圖1所示隨機振動實驗用加速度譜密度函數，分別對原風機系統和優化方案進行2Hz～200Hz掃頻隨機振動分析，風機系統在豎直隨機振動時，1σ應力分布具體結果如圖7和圖8所示。

如圖7所示，豎直方向隨機振動時，原風機系統的安裝螺栓處應力最大，與隨機振動實驗中風機螺栓拉斷部位一致，1σ應力為569.6Mpa，可知2σ應力為1139.2Mpa，3σ應力為1708.8Mpa；優化方案風機系統豎直方向隨機振動時，應力最大部位出現在加強圓環上，1σ應力為311.5Mpa，相對原風機系統減小45.3%，而電機安裝螺栓處應力較小。

根據以上分析，對原風機系統進行加強圓環結構更改，制作樣件，再次進行8小時隨機振動實驗，風機系統各部分結構完整，無損壞。

4 結論

（1）通過風機系統模態實驗，確定了其安裝結構模態在隨機振動掃頻過程中產生共振，是風機系統安裝螺栓拉斷的主要原因。

（2）結合CAE和實驗方法，基于風機系統模態分析振型和隨機振動應力分布，給出了加強圓環的結構優化方案。

（3）風機系統加強圓環優化方案，通過了模態和隨機振動的CAE對比驗證；同時，進行樣件制作后的產品也通過了隨機振動實驗驗證。

[1] 張玉梅,韓增堯,鄒元杰.隨機振動環境下航天器結構強度設計方法總述.力學進展,2012,42(4):464～466

[2] 汪苗苗.平板電視緩沖包裝件的力學特性研究.東北林業大學碩士論文,2010:11～12

Structural optimization of fan-motor system base on random vibration

LI Peng
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

In this thesis, random vibration test and modal test of fan-motor system are carried out , the damage of fanmotor system is observed and how to be destroyed is analyzed. According to the reason for fan-motor system damage, with the method of CAE, random vibration analysis is done and the optimized fan-motor system structure scheme is determined. Based on random vibration theory and modal adjustment, the fan-motor system structure is optimized and verified by CAE, modal test and random vibration test.

Random system; PSD; Modal test