基于HyperWorks的某空調毛細管的響應譜分析

張克鵬

一、概述

空調制冷系統中的毛細管屬于節流裝置，是壓縮制冷循環中不可或缺的基本部件。其作用是降低液態制冷劑的壓力和溫度，調節進入蒸發器的制冷劑流量，連接于冷凝器與蒸發器之間。家用空調很多選用毛細管作為節流裝置，是因為它結構簡單，成本較低。一般是由一根內徑0.5mm-2mm，長度0.5m-3m的紫銅管構成。空調在運行過程中，由于壓縮機工作過程中會產生激振現象，隨即傳遞到與之相連的整個空調系統管路中，長期的振動會對毛細管等部件產生機械強度和疲勞損壞，作為空調系統重要部件之一，需要對毛細管進行振動方面研究，提高使用性能。

本文利用HyperMeSh建立某空調毛細管總成的有限元模型，利用HyperWorks仿真平臺有限元求解器OptiStruct對毛細管總成加固前后兩種模型方案進行模態分析，對照Gm 150.16-1986標準規定的振動快試曲線頻譜對其進行響應譜分析。根據加固前后方案的對比分析結果，判定設計方案的可靠性和合理性。

二、毛細管總成的有限元模型建立

通過SohdWorks建立加固前后毛細管總成的三維實體模型，如圖1所示。為便于有限元前處理，將模型導出為.stp格式。

針對該空調毛細管總成加固前后兩種模型，文章采用主流CAE前處理軟件HyperMesh進行網格劃分。在進行網格劃分時，毛細管總成所有部件均用六面體單位，單元類型為CHEXA，單元基本尺寸設為0.6mm。最終毛細管加固前后有限元模型共有節點數分別為66 708和69 245，單元數分別為88 237和92 541，毛細管總成（原方案）有限元模型如圖2所示，局部放大圖如圖3所示。

三、毛細管總成的模態分析

模態分析用于確定結構的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動態載荷結構設計中的重要參數。模態分析也是響應譜分析必需的前期分析過程。對毛細管總成進行模態分析，可以得到其各階次固有頻率的大小和各階次固有頻率下相應的振型。模態分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用，是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法。本次分析采用OptiStruct求解器及分塊Lanczos方法進行求解。

1、材料設定

毛細管總成的材料為TP2Y紫銅，計算中用到的材料屬性如表1所列。

2、約束邊界條件

毛細管總成兩端分別安裝固定在整個空調系統的過濾器和節后管之間，如圖4黃色虛線框所示，約束兩端節點的1-6自由度。

3、模態分析

文章利用HyperWorks平臺OptiStmct求解器進行模態求解，提取毛細管總成前10階次固有頻率，使之與壓縮機激勵頻率進行對比，該機型壓縮機激勵頻率為50Hz。毛細管總成固定前后方案的模態頻率值如表2所列。

圖5為固定前毛細管總成第1-5階次陣型圖，毛細管固定后方案的陣型與固定前類似，只是頻率數值不一樣。

毛細管總成與空調管路部件前后相連，從模態分析結果來看，固定前后毛細管的各階次頻率都在100Hz以上，遠大于壓縮機激勵頻率50Hz，且各階次頻率也都不在相關倍數頻率之上，所以毛細管總成不會發生與壓縮機的共振。模態分析可以對系統共振頻率進行分析和判斷。

四、毛細管的響應譜分析

響應譜分析（RSA）是一種用于估計結構在瞬態歷程中最大響應的分析技術，可以通過響應譜分析得到結構的最大位移、最大應力和最大力。響應譜分析技術結合了給定動載的響應譜和模態分析結果。響應譜描述的是單自由度系統在給定動載的最大響應和自然頻率之間的關系。它可以用于計算每一階模態下的結構最大模態響應，然后用一些方法組合這些模態最大響應值來估計結構響應的峰值。相對于傳統的瞬態分析，RSA是一種簡單而且計算代價較低的峰值響應近似方法。主要計算量在于獲得足夠的模態階數，以表達輸入激勵和結果響應的完整頻率段，響應譜通常在設計規范中給定。本次分析采用OptiStruct求解器進行求解分析。

1、載荷邊界條件

毛細管加固前后的振動試驗曲線按照GJB 150.16-1986中圖A8的w曲線頻譜進行加載，如圖6所示。其中振動頻率范圍為5Hz-500Hz-5Hz，其中掃描一次的時間為15min，X、Y、Z軸三個方向各掃描兩次，峰值4.2g。

2、響應譜分析

毛細管總成在受到振動加速度載荷時，因毛細管與過濾器和節后管均為金屬件，且都是剛性連接，振動測試過程中，受破壞的風險較大。圖7-9為加固前后毛細管總成在圖6振動激勵下的應力云圖。

從計算分析結果來看，加固前施加X向振動時，毛細管上最大應力為29.2MPa，在毛細管與過濾器連接處，加固后施加x向振動時，套管上最大應力為9.3MPa，在套管與過濾器連接處。加固前施加r向振動時，毛細管上最大應力為13.6MPa，在毛細管與過濾器連接處，加固后施加r向振動時，套管上最大應力為4.5MPa，在套管直管處。加固前施加Z向振動時，毛細管上最大應力為25.3MPa，在毛細管與過濾器連接處，加固后施加Z向振動時，套管上最大應力為11.8MPa，在套管與過濾器連接處。加固前后具體最大應力對比情況如表3所列，加固后各方向振動時毛細管上的最大應力均有所改善。

五、結論

文章以某空調毛細管總成為研究對象，運用SolidWorks建立了幾何模型，利用HyperMesh建立有限元模型，在此基礎上，用OpfiStruct求解器進行模態分析和響應譜分析。分析表明，毛細管總成加固前后兩種方案固有頻率未與壓縮機激勵頻率存在共振。對兩種方案根據GJB 150.16-1986振動試驗曲線進行響應譜分析，最大應力均為超過材料屈服強度，加固方案各方向最大應力均有所改善。