船用循環通風系統框架結構優化

湯修平，許治晶，陳恩，郭建，湯繼保，王坤

（1-合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2-中船重工第七一一研究所，上海 201108）

0 引言

近幾十年來，制冷工業得到了飛速的發展，應用于人類生活生產的各個領域，尤其在機電工業和國防工業有著深入的應用[1]。隨著這種飛速發展，制冷系統的結構功能越來越復雜、功率越來越大，由此產生的振動噪音問題也越來越嚴重，嚴重制約了制冷系統舒適性和可靠性的提高[2-5]。在此大背景下，國內外對制冷系統振動噪音的研究越來越多，也取得了一定的成果，目前運用的主流方法是通過Proe對制冷系統進行建模再利用ANSYS對模型進行模態應力分析后對模型進行優化，但是ANSYS三維建模能力太弱，同時對大型復雜的三維模型的分析也有著很大的欠缺，目前的解決方法是通過對制冷系統的大量簡化或者將制冷系統中各部件單獨進行分析，這樣會大大影響分析精度[6]。因此，本文直接用Proe進行制冷系統的三維建模，隨后利用自帶的有限元分析軟件Proe mechanica對模型進行模態分析，獲得制冷系統中框架、冷凝器、蒸發器、管路等關鍵部件在壓縮機和風機振動下會產生的位移，并對其進行優化[7]。

1 制冷系統模型及振動分析

1.1 制冷系統模型

1.2 制冷系統振動共振分析原理

2 制冷系統振動模態分析

2.1 框架結構的分析

3 框架結構優化

優化后對模型進行靜力分析，得到表2變形量。優化結束后，整體框架結構的變形量明顯減少，框架變形量最大處約為0.19 mm左右，雖然在風機密封底板上出現了0.24 mm的變形，由于此處并非承重結構，因此可以忽略不計，優化完成后基本可以滿足框架結構的強度和剛度要求，有效改善了框架系統的抗疲勞特性，緩解疲勞破壞。

表1 優化后的變形量

表2 最終優化后變形量

優化后的前6階的固有頻率如圖5所示分別變為20.02 Hz、23.78 Hz、26.70 Hz、30.17 Hz、38.31 Hz、44.45 Hz，最高頻率由61 Hz下降到44 Hz，均遠小于壓縮機的振動傳遞頻率，位于壓縮機共振范圍之外，在前6階固有頻率上并不會引起系統共振。在此情況下能夠基本滿足避免共振的要求，避免了框架結構的疲勞破壞，減小了整個制冷系統的損害力度。

圖5 優化前后固有頻率對比圖

4 總結

本文利用Proe mechanical對現實設備中的復雜框架結構中，受自身蒸發器、冷凝器、回熱器、風機、壓縮機等的重力影響下的變形較大的部位進行了優化。根據優化結果重新設計框架后，實際使用中證明，整個框架結構的變形量顯著減小，消除了框架結構早期失效特征，減少了對其他相關部件的損壞；同時減小了框架結構的固有頻率，使其遠離壓縮機和風機的傳遞振動，避免共振引起機械和結構較大的變形和動應力，同時將6階固有頻率下振動較為明顯的部位轉移到后期添加的增強件上，防止了整個通風裝置的破壞性事故。