基于ANSYS Workbench的冷凝器組件模態分析

孫玉波 張 行 郭豪凱

基于ANSYS Workbench的冷凝器組件模態分析

孫玉波1張 行2郭豪凱2

（1.海軍駐洛陽地區航空軍事代表室，河南 洛陽 471000；2.新鄉航空工業（集團）有限公司，河南 新鄉 453049）

基于ANSYS Workbench有限元仿真分析軟件，研究某冷凝器組件的模態，使機載產品的動態性能在圖紙設計階段就得到相應優化。這些新技術的研究和應用，對機載產品可靠性的提高、開發周期的縮短和開發成本的降低等具有十分重要的現實意義。

機載蒸發循環系統；冷凝器組件；ANSYS Workbench；模態分析

冷凝器組件是機載蒸發循環系統的重要組成部分［1］。鑒于冷凝器組件在機載蒸發循環制冷系統中的作用，其一般安裝在機艙外部，受其他機載設備工作振動的影響較大，工作環境比較惡劣。例如，直升機機載蒸發循環系統的冷凝器組件一般安裝在機艙頂部，受發動機和主槳工作振動的共同影響，對冷凝器組件的強度和動態性能提出了更高要求。因此，在設計機載蒸發循環系統冷凝器組件的過程中，加強對冷凝器組件進行動態性能分析是一項非常重要的工作。

1 冷凝器組件仿真模型的建立

本文以某直升機機載蒸發循環系統的冷凝器組件為研究對象，利用ANSYS Workbench有限元仿真軟件對其動態性能進行分析，并在此基礎上進行動力學設計，使冷凝器組件的動態性能在圖紙設計階段就能得到優化，從而尋求一種經濟合理的結構，使其動態性能滿足預先給定的設計要求。冷凝器組件主要由冷凝芯體、冷凝風機、冷凝器殼體和風道組成［2］。由于冷凝芯體和冷凝風機結構中存在特征比較精細的翅片和風機扇葉，且冷凝芯體和冷凝風機在試驗和使用中極少出現失效的情況，因此，在有限元建模時將冷凝芯體和冷凝風機作為實體零件處理。同時，為了保證仿真分析的可靠性，提高仿真計算效率，需要對冷凝器組件的三維數模進行必要簡化，主要為：①去掉尺寸較小的孔、凸臺及倒角；②適當省略小體積或小質量的部件；③盡量使產品的質量不變，外形尺寸不變，約束配合的面積與關系不變［3］。

將簡化后的模型導入ANSYS Workbench有限元仿真分析軟件中，劃分過網格后的有限元模型如圖1。冷凝器組件共有1 281 202個節點、732 452個單元［4］。冷凝器殼體材料為5A02。冷凝器組件有限元模型質量為6.12 kg，測量冷凝器組件實體質量為6.36 kg，由于建模過程進行了必要簡化，所以冷凝器組件的有限元模型是合理的。

圖1 冷凝器組件有限元模型

2 冷凝器組件的模態分析

為了分析冷凝器組件的各階固有頻率和其動力特性，需要對冷凝器組件進行模態分析。模態分析是諧響應、隨機振動、響應譜等動力學分析的基礎［5］。

按照實際裝機狀態，對冷凝器組件與動力平臺地板配合處施加固定約束，通過有限元仿真分析，可以得到冷凝器組件的模態分析結果（前6階），如表1所示。

表1 冷凝器組件前6階固有頻率

冷凝器組件的前2階固有頻率分別為341.99Hz、902.46Hz，其對應的前2階模態振型分別如圖3（a）、圖3（b）所示。冷凝器組件機上安裝位置振動頻率影響范圍為10～500Hz［6］，從上述分析可知，只有第1階固有頻率處于振動頻率影響范圍之內。由圖3（a）可知其振動方向為沿冷凝器組件安裝方向的Y向，因此，在振動試驗中需要特別關注冷凝器組件沿Y向的振動［7］。

3 結語

通過應用ANSYS Workbench有限元仿真分析軟件對機載蒸發循環系統用冷凝器組件進行模態分析，得到冷凝器組件的固有頻率和模態振型，找出冷凝器組件設計中的薄弱環節。在機載產品設計初期，通過有限元仿真分析對機載產品的動態性能進行預測和優化。這些新技術的研究和應用，對機載產品可靠性的提高、開發周期的縮短和開發成本的降低等具有十分重要的現實意義。

圖3 前2階模態振型

［1］壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［2］張行，劉德平，陶征.基于ANSYS Workbench的CX8075加工中心關鍵零部件動態性能研究［J］.機械設計與制造，2011（7）：146-148.

［3］余建祖.換熱器原理與設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［4］張呈林，郭才根.直升機總體設計［M］.北京：國防工業出版社，2007.

［5］葉先磊，史亞杰.ANSYS工程分析軟件應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［6］闕雄才，陳江平.汽車空調實用技術［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［7］李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設計、仿真與優化.［M］.北京：清華大學出版社，2008.

Modal Analysis of Condenser Based on ANSYS Workbench

Sun Yubo1Zhang Hang2Guo Haokai2
（1.Aeronautical Military Representative Office of Navyin Luoyang，Luoyang Henan 471000；2.Avic Xinxiang Aviation Industry(Group)Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453049）

Based on ANSYS Workbench finite element simulation software,the modal of a condenser compo?nent was studied,so that the dynamic performance of the airborne products could be optimized in the de?sign stage.The application of these new methods not only improves the working capability of the new con?denser，but also reduces the development costs and development cycle of the new production.

ACS；condenser；ANSYS Workbench；modal analysis

TB65

A

1003-5168（2017）10-0045-02

2017-09-01

孫玉波（1977-），男，碩士，工程師，研究方向：機械設計。