基于運輸工況的空調外機頂蓋結構優化

歐均蘭周軍

(1.河源理工學校 廣東河源 517000；2.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

基于運輸工況的空調外機頂蓋結構優化

歐均蘭1周軍2

(1.河源理工學校 廣東河源 517000；2.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

文中對空調在流通運輸過程中的部件變形和損壞進行了原因分析；并進行了有效的外機隨機振動的CAE分析和評估，確定了外機頂蓋的結構優化方案；結合隨機振動和踐踏的振動性能要求，分析了頂蓋的剛度貢獻分布，同時對頂蓋進行了形貌優化，大大提高了頂蓋剛度性能。

隨機振動；PSD；形貌優化；剛度貢獻

空調產品在流通運輸過程中，由于產品搬運中的多層堆碼和人工踐踏等現象，常常會造成空調產品的部件和外表損害。另外，受運輸工具自身振動和外界流通環境影響而引起產品振動，導致產品表面擦傷或漆脫落、部件變形、斷裂等損壞。特別是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。

空調外機頂蓋是保證空調產品部件在搬運中受多層對碼和人工踐踏等作用而不被損壞的最后一道防線，也是最主要的保護層。外機頂蓋的合理設計，可以大大減少空調產品在流通運輸中的破壞。本文根據空調在流通運輸中常見的變形和損壞問題，進行原因分析，從而尋求其有效的外機頂蓋優化方案。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，對空調部件進行相應優化，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 頂蓋結構靜剛度

空調外機結構中，頂蓋下面是的風機系統、冷凝器和電器盒部件等重要部件，頂蓋設計不合理會直接導致這些部件的變形和損壞，甚至失效。空調產品在流通運輸中的振動和損壞評估，在設計階段通常通過人工踐踏實驗和隨機振動試驗進行。圖1為空調產品在模擬搬運過程中的多工況人工踐踏實驗時，造成的空調部件破壞，其中左圖為經過多工況踐踏實驗后，風機系統發生塑性變形，導致風葉離導流圈過近，這會引起風機系統高速運轉時產生異常噪聲，甚至發生與導流圈的碰響情況，存在安全隱患；右圖為經過多工況踐踏實驗后，冷凝器翅片發生的塑性變形，嚴重影響換熱效率，從而降低空調制冷和制熱性能。

圖1 產品踐踏實驗的破壞

圖2 PSD曲線

圖3 頂蓋1σ應力云圖

頂蓋在踐踏靜態作用下產生較大的變形，直接作用在風機系統、冷凝器和電器盒部件等重要部件上，造成它們相應塑性變形和損壞，這主要是由于外機頂蓋靜剛度不足造成。為了改善空調部件變形和損壞情況，需提高頂蓋的靜剛度，保證頂蓋有足夠的抵抗變形的能力。

2 整機隨機振動分析

圖4 頂蓋某單元PSD響應及對應振型

空調產品在流通運輸過程中，除了受產品堆碼和人為踐踏等作用外，同時也受到運輸工具自身振動和外界流通環境等激勵力。當外界激勵力與產品部件固頻一致或接近時，極易引起共振現象導致產品損壞，甚至失效。由于外界激勵力的多樣性和影響因素的隨機性，產品運輸屬于復合的隨機振動情況，通常用功率譜(PSD)曲線描述。隨機振動分析是建立在對結構進行模態分析所得到的結構振型和固有頻率基礎上，根據特定的功率譜密度求解出結構在隨機激勵下的位移和應力等響應。本文將對空調整機進行隨機振動分析，獲取外機部件相應載荷譜下的加速度響應，并對頂蓋單元進行PSD功率譜計算，評估外機頂蓋抗隨機振動性能和動剛度性能。

2.1 功率譜密度

圖5 原機頂蓋模態

表1 優化方案對比

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。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[1]。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。國標GB/ T 4875.23-2003列舉的美國隨機振動功率譜密度曲線顯示，低頻區公路運輸的振動加速度譜密度最大，而空運時的振動在高頻表現非常強烈，鐵路運輸在全頻率段無差別并且振動都較小。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2所示。

2.2 PSD譜分析

圖6 長度方向優化

圖7 寬度方向優化

圖8 較密起肋分布

圖9 最密起肋分布

建立空調整機有限元模型，根據上述PSD曲線，對空調整機進行隨機振動分析。外機頂蓋隨機振動分析的1σ應力分布云圖如圖3所示，3σ應力也非常小，遠低于材料強度極限，即隨機振動中材料所受的最大應力大于3σ應力值的概率為0.3%，外機頂蓋強度性能足夠，無壽命問題。然而分析顯示，外機頂蓋在隨機振動中，存在密集的豎直方向的模態，極易被激起振動，引起相關的振動和變形問題。

2.3 PSD功率譜計算

為深入研究外機頂蓋在隨機振動中動力學特性，選擇關注頂蓋單元進行PSD功率譜計算。頂蓋單元PSD功率譜計算結果如圖4所示，激勵頻率29.6Hz時，頂蓋振動最大，對應為頂蓋豎直方向振型，頂蓋動剛度性能較差。公路運輸中低頻區振動能量最大，非常容易引起產品部件的共振，從而導致相應的振動和變形問題。因此，有必要對頂蓋進行剛度性能優化，提高其剛度性能，減少相應振動或共振帶來的損壞發生。

3 頂蓋形貌優化

根據PSD分析顯示，頂蓋在隨機振動中，易被激起振動，并引起其他部件振動。同時，在空調產品踐踏和堆碼試驗中，頂蓋是風機系統、冷凝器和電器等部件的直接保護，是最關鍵環節，也是較薄弱環節。故提高外機頂蓋剛度，增強對風機系統，冷凝器和電器盒等部件保護十分必要。形貌優化是板形結構中尋找最優的肋分布的概念設計方法，非常適用于鈑金型材的設計和優化，來提高結構剛度[2]。

3.1 剛度貢獻率

原機頂蓋模態如圖5所示，第一階彎曲模態固頻為27Hz，基于密度法對頂蓋進行自由肋的形貌優化，以剛度性能最大為目標，優化結果如圖5所示。紅色區域為頂蓋剛性貢獻率最大區域，且主要加強肋沿寬度方向分布。

3.2 加肋方向設計

沿頂蓋長度和寬度方向分別進行加肋優化，優化結果如圖6和圖7所示，長度方向分布加強肋固頻可提升至33.3Hz，寬度方向分布加強肋固頻可提升至41.3Hz，故為提高頂蓋剛度性能，優先選用寬度方向起肋。

3.3 加肋疏密設計

為研究加強肋分布疏密對頂蓋剛度性能的影響，沿頂蓋寬度方向分別進行不同疏密程度的加肋優化，優化結果如圖8和圖9所示，較疏的加強肋分布固頻可提升至43.1Hz，較密的加強肋分布固頻可提升至46.7Hz，故為提高頂蓋剛度性能，盡量選用密集的起肋分布。

3.4 頂蓋優化方案及驗證

優化方案對比如表1所示。基于以上優化方案，寬度方向最密的加強肋分布，對頂蓋剛度性能提升效果最好，頂蓋第一階彎曲模態固頻由27Hz提升46.7Hz，頂蓋剛度性能得到大大提升。

根據頂蓋最佳優化方案，進行整體多工況踐踏實驗和隨機振動實驗，空調產品風機系統未發現明顯塑性變形；冷凝器翅片無明顯壓扁現象；電器盒等部件無異常破損。故優化頂蓋剛度性能的提升能有效地保證空調部件在流通運輸中的可靠性。

4 結論

（1）通過對空調產品人工踐踏實驗損壞分析，確定了頂蓋靜剛度性能較差、抗變形不足是空調部件變形和損壞的原因。

（2）結合國標公路譜低頻區和空運高頻區，選擇了更嚴厲的功率譜密度載荷；整機隨機振動分析顯示，頂蓋強度性能足夠，但動剛度性能一般，極易被激起發生共振，造成相應變形和振動。

（3）基于密度法，對頂蓋進行了形貌優化；在頂蓋剛度性能提升方面，寬度方向加強肋分布優于長度方向，較密的加強肋分布優于較疏加強肋分布；頂蓋最終優化方案通過了踐踏實驗和隨機振動實驗驗證。

[1]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[D],2010:11-12

[2]賈維新,郝志勇,楊金才.基于形貌優化的低噪聲油底殼設計研究.浙江大學學報[J],2007,41(5):770-771

Structural optimization of cover in outdoor unit of air conditioner base on transport

OU Junlan1ZHOU Jun2
(1.Heyuan Science and Technology school, of Heyuan Heyuan 517000; 2.Refrigeration Institute of Gree Electric Appliances, Inc.of Zhuhai Zhuhai 519070)

In this thesis, the reasons why air conditioner deformation and damage occur during flow and transport are analyzed. The effective CAE analysis and assessment of random vibration for outdoor unit of air conditioner are carried out, and the structural optimization scheme for the cover of the outdoor unit is determined. Base on the performance requirements of random vibration and trampling test, the stiffness contribution of the cover is analyzed, while the cover is optimized by the method of pattern optimization, and the stiffness property of the cover is greatly improved.

Random vibration; PSD; Pattern optimization; Stiffness contribution