基于Patran空調室外機支架的有限元分析

付振山，于春玲

(威海職業學院，山東威海264210)

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基于Patran空調室外機支架的有限元分析

付振山，于春玲

(威海職業學院，山東威海264210)

根據《空調器室外機安裝用支架規范》對空調室外機支架進行了強度分析，采用Patran有限元軟件進行了靜力分析和屈曲分析，分析了在規范載荷下的強度和穩定性分析，計算結果表明強度和可靠性滿足要求。

空調支架 靜力分析 屈曲分析 有限元分析

0 引言

隨著人們生活水平的提高，空調的使用越來越廣泛，空調室外機室的安全性不容忽視。空調室外機一般采用支架支撐，且使用年限較長，因此支架的強度要滿足要求。因支架結構簡單常采用工程算法計算強度，方便快捷，同時也存在以下缺點：沒有考慮到安裝孔等技術細節對應力的影響；對結構中出現的應力集中計算不足；不能了解整體結構的應力分布等。有限元軟件從3D實體出發，利用有限個小的互連子域替代整個求解域，從而克服了以上缺點，在工程中取得廣泛應用。Patran軟件具有強大的計算分析能力，能夠模擬支架在載荷作用下各部分的應力和應變，分析支架在載荷作用下的穩定性。

1 靜態分析

空調室外機支架一般掛在室外，主要承受室外機重力作用，重力載荷基本不變，因此采用靜態分析法計算支架在重力作用下的應力和應變，分析強度是否滿足要求。

1.1 建立空調支架的3D模型

空調室外機支架的3D模型采用SolidWorks軟件建立，其結構由兩塊槽鋼和一塊等邊角鋼焊接而成的三角之架,豎槽鋼上有3個φ12的固定孔，槽鋼截面尺寸為63 mm×40 mm×4.8 mm，角鋼截面尺寸為30 mm×30 mm×4 mm，材料為Q235碳素鋼，彈性模量E=206 GPa,泊松比v=0.3，密度7.8 kg/mm3。三維模型建立后，導入Patran軟件建立有限元模型，并通過Tetmesh劃分單元網格。

1.2 載荷分析

支架用來支撐空調室外機，承受的載荷主要為空調室外機的重力，因安裝在室外還要承受風載，有時還要承受安裝維修人員的重量載荷。根據《空調器室外機安裝用支架規范》規定：空調支架的承載能力不能低于空調器機組自重的4倍，使用壽命不得低于空調本身的使用壽命(10-12年)。空調室外機總重為62 kg，應該施加的載荷不小于2 480 N，因采用兩相同的支架共同支撐，每個支架承受不小于1 240 N的重力載荷。

1.3 邊界條件的建立

圖1 施加邊界和載荷的有限元模型

支架采用膨脹螺絲固定在墻上，可近似看作固定端約束，約束槽鋼靠墻面X和Y方向的位移，限制固定孔邊緣的6個自由度。載荷根據室外機固定支架的位置分成兩個Z負向的集中載荷分別施加，添加了載荷和邊界條件的有限元模型如圖1所示。

1.4 有限元分析結果

對施加了邊界條件和載荷的支架進行靜力學分析，獲得應力如圖2所示，變形如圖3所示，通過應力應變分析可知，空調支架最大應力為160 MPa，最大位移位于伸出端最外側，為0.704 mm，由材料手冊可知Q235的屈服極限是235 MPa，因此,該空調外支架強度滿足要求。

圖2 應力云圖 圖3 應變云圖

2 屈曲分析

空調室外機支架屬于薄壁件，而薄壁件在一定載荷下存在失穩，因此需要進一步分析該支架在特定載荷下的穩定性以及確定結構失穩的臨界載荷。因此進一步對該支架進行屈曲分析，掌握其在載荷作用下的穩定性。

Patran軟件屈曲分析算法根據預加載荷和屈曲因子分析計算臨界載荷。每個支架承受310 N的室外機自重，因此施加310 N預加載荷，按照支架的受力位置分成兩個Z負向的集中載荷分別施加，選擇分析類型為BUCKLING,分析前三階的屈曲變形情況，其中前三階的結果如圖4-6所示。一階屈曲因子為613.13，二階屈曲因子為630.43，三階屈曲因子為684.28，取一階屈曲穩定載荷系數可以計算出該空調支架失穩的臨界載荷約為F=190.03 kN，重新施加190.03 kN載荷進行屈曲分析，得出其一階屈曲系數為0.999 4，其數值十分接近于1，如圖7所示，從而進一步驗證了該結構失穩的臨界載荷約為190.03 kN，說明該空調支架在實際工況下并不會發生結構失穩的現象。

圖4 一階屈曲 圖5 二階屈曲

圖6 三階屈曲 圖7 再次加載屈曲分析結果

3 結束語

根據《空調器室外機安裝用支架規范》對空調室外機支架進行了有限元分析，根據工作情況首先采用靜態分析進行強度分析，然后采用屈曲分析法分析載荷條件下的失穩和最大失穩載荷。分析結果表明支架強度滿足要求。

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Finite element analysis of bracket of air conditioner outdoor unit based on Patran

FU Zhenshan, YU Chunling

Strength analysis is carried out for bracket of air conditioner outdoor unit according to the specification for bracket for installation of outdoor unit of air conditioner. Static analysis and buckling analysis are executed based on Patran software, and the strength and stabilization are analyzed under the standard load, the results show that strength and reliability meet the requirements.

air conditioner bracket, static analysis, buckling analysis, finite element analysis

TH122

A

1002-6886(2016)06-0068-03

付振山(1976-)，博士，副教授，研究方向：機械設計，有限元分析。

2016-07-02