家用空調(diào)室外機(jī)抗颶風(fēng)支架的設(shè)計(jì)校核及分析

魯文喜

（英格索蘭亞太工程技術(shù)中心，上海200051）

0 引 言

近年來(lái)，颶風(fēng)等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，室外安放的家電設(shè)備如果加固不當(dāng)，會(huì)遭受猛烈的颶風(fēng)沖擊。針對(duì)颶風(fēng)頻發(fā)區(qū)，對(duì)于家用空調(diào)室外機(jī)的安裝固定要求就顯得尤為重要。本文提到的設(shè)計(jì)采用鈑金支架，鈑金零件是采用金屬薄板經(jīng)過(guò)沖壓、折彎、成型等加工的結(jié)構(gòu)件，在家電產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在輕量化、低成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較高的強(qiáng)度和剛度[1]。

本文依據(jù)室外機(jī)在颶風(fēng)狀態(tài)下的受力條件，通過(guò)力矩平衡計(jì)算獲得支架所受到的載荷。結(jié)合有限元分析軟件ANSYS Workbench，對(duì)支架進(jìn)行應(yīng)力和變形分析校核。

1 室外機(jī)及支架分析

本文研究的某特定型號(hào)的空調(diào)室外機(jī)，內(nèi)部包含壓縮機(jī)、熱交換器、風(fēng)機(jī)、控制面板及底座等，通過(guò)鈑金支架將底座固定在房屋旁的水泥平臺(tái)上，如圖1所示。抗颶風(fēng)固定支架分布在外機(jī)兩側(cè)，圖2為該外機(jī)的某一側(cè)局部圖。鈑金支架對(duì)室外機(jī)起加強(qiáng)固定和壓緊作用，使用時(shí)支架頂部與機(jī)器底座上邊緣相連接，下端通過(guò)固定螺栓與水泥平臺(tái)相連接，防止室外機(jī)在颶風(fēng)來(lái)臨時(shí)發(fā)生墜落或傾覆，從而損壞機(jī)器內(nèi)部的部件，影響機(jī)器的正常運(yùn)行。

圖1 室外機(jī)水泥地上的安裝

圖2 抗颶風(fēng)支架在室外機(jī)底部的安裝

為了確保支架的設(shè)計(jì)能夠滿足法規(guī)要求，首先需要獲得空調(diào)室外機(jī)的極端工作環(huán)境，以及在此外部環(huán)境下空調(diào)外機(jī)機(jī)體受到的載荷。其次需要計(jì)算其傳導(dǎo)到支架上的載荷，最終通過(guò)簡(jiǎn)化分析轉(zhuǎn)化為對(duì)支架的設(shè)計(jì)校核。此案例對(duì)空調(diào)外機(jī)的底座進(jìn)行了高度和幾何形狀的重新設(shè)計(jì)，為此設(shè)計(jì)了新的抗颶風(fēng)支架，以匹配新的外機(jī)底座。支架的鈑金厚度保持與原設(shè)計(jì)相同，僅重新設(shè)計(jì)新的高度和形狀，新舊設(shè)計(jì)對(duì)比如圖3所示。支架在現(xiàn)場(chǎng)安裝的布局也與原設(shè)計(jì)保持一致，所以本案例主要校核新的幾何形狀是否會(huì)導(dǎo)致支架發(fā)生失效。

圖3 新舊設(shè)計(jì)對(duì)比

1.1 簡(jiǎn)化模型受力分析

為了獲得空調(diào)外機(jī)所承受的壓力，需要首先對(duì)其進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算。本文以銷售到北美Florida地區(qū)的家用空調(diào)外機(jī)為例，本設(shè)計(jì)參考美國(guó)Florida的建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及ASCE 7-10《建筑物和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計(jì)載荷》[2]。

美國(guó)氣象部門應(yīng)用的薩菲爾-辛普森颶風(fēng)分級(jí)體系中，將不同級(jí)別的颶風(fēng)共分為5個(gè)等級(jí)。其最高五級(jí)的持續(xù)風(fēng)速達(dá)到157 mph（253 km/h）或者更高。一般需要通過(guò)第三方的專業(yè)工程師對(duì)最后抗颶風(fēng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建議和認(rèn)證。

設(shè)計(jì)瞬時(shí)風(fēng)速為189 mph（304 km/h）,結(jié)合ASCE 7-10中26～30章節(jié)關(guān)于風(fēng)載荷的計(jì)算公式：

式中：qz為速度壓力；Kz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；Kzt為地形因素系數(shù)；Kd為風(fēng)方向性因素系數(shù)；V為基本風(fēng)速。

風(fēng)壓P的計(jì)算公式為

式中：P為風(fēng)壓；qz為速度壓力；G為陣風(fēng)影響系數(shù)；Cpi為風(fēng)載體型系數(shù)。

風(fēng)載荷的計(jì)算受多種因素的影響，如換為其他產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模型，則各項(xiàng)計(jì)算系數(shù)取值會(huì)有所不同，不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需按實(shí)際情況進(jìn)行認(rèn)真分析[3]。本設(shè)計(jì)所用參數(shù)依據(jù)Florida的專業(yè)工程師建議，具體計(jì)算過(guò)程不在此詳述。假設(shè)安全系數(shù)取1.33的情況下，最終得到正面的風(fēng)壓為60 psf（2873 Pa）。

本空調(diào)室外機(jī)截面呈方形，結(jié)合室外機(jī)的大小，得到簡(jiǎn)化模型如圖4所示。室外機(jī)的尺寸：高度為H，長(zhǎng)度方向?yàn)镈，寬度方向?yàn)閃。在長(zhǎng)度方向每邊設(shè)置2個(gè)抗颶風(fēng)支架，其總體實(shí)際尺寸為：H=45.17 inch=1.14 m;D=37.29 inch=0.95 m;W=34.29 inch=0.87 m。

圖4 室外機(jī)簡(jiǎn)化模型

圖5 長(zhǎng)邊方向受風(fēng)的力矩平衡

1.2 支架-合力及力矩平衡

一般而言，對(duì)于支架的載荷分析，需要首先對(duì)其進(jìn)行合力平衡的計(jì)算，包括水平和豎直兩個(gè)方向。水平方向的分力包括風(fēng)載荷作用在面板的力、左右兩側(cè)對(duì)稱支架水平剪切力及底座與水泥地面的靜摩擦力。豎直方向的分力包括外機(jī)自重和左右兩側(cè)對(duì)稱支架壓緊力。

結(jié)合簡(jiǎn)化的受力模型分析和實(shí)際的安裝情況，整個(gè)室外機(jī)在受到颶風(fēng)侵襲時(shí)，本案例最主要的失效模式為傾覆，故可以對(duì)其進(jìn)行力矩平衡計(jì)算，以評(píng)估在最大風(fēng)壓下，抗颶風(fēng)支架需要提供的壓緊力，以保證室外機(jī)在室外的穩(wěn)定牢固。

雖然理論上迎風(fēng)面積越大，風(fēng)載荷對(duì)室外機(jī)產(chǎn)生的推力越大。但當(dāng)風(fēng)載荷作用在長(zhǎng)邊和短邊側(cè)面時(shí)，由于力矩中心在不同的位置，支架上產(chǎn)生的力矩、力臂不一樣，故需要分別對(duì)長(zhǎng)邊、短邊側(cè)進(jìn)行分析，尋找較大的作用力。

當(dāng)長(zhǎng)邊的右側(cè)面受到颶風(fēng)侵襲時(shí)，整機(jī)左側(cè)的長(zhǎng)邊可以視為力矩的中心，記為a,如圖5所示。本機(jī)的自重G=295 lb=133 kg，沿Y向，簡(jiǎn)化其質(zhì)心的位置在機(jī)器正中心，故其力臂為W/2。那么鈑金支架需要提供在室外機(jī)底座上的力即為Fy。

將以上參數(shù)轉(zhuǎn)換為力矩平衡計(jì)算：

式中：Fh=P·H·D,即為較大面所受到的合力,其力臂為H/2 ,P為風(fēng)壓。

將上述已知的數(shù)據(jù)代入式（3），可以得到Fy= 314.78 lbf=1400 N。

初始設(shè)計(jì)時(shí)，左右側(cè)各2個(gè)支架，但左側(cè)的2個(gè)支架剛好在力矩中心位置，所以主要承擔(dān)載荷的為右側(cè)的2個(gè)鈑金支架，所以分配到每一個(gè)支架的力為F=Fy/2=157.38 lbf=700 N。

而當(dāng)短邊的前側(cè)面受到颶風(fēng)侵襲時(shí)（如圖6），后側(cè)的短邊可以視為力矩的中心，記為b,如圖7所示。機(jī)器自重的力臂為D/2, 支架距邊緣的距離為t, 依據(jù)以上類似的計(jì)算方法，可以得到

式中，F(xiàn)h=P·H·W,即為較小面所受到的合力,其力臂為H/2，P為風(fēng)壓。將上述已知的數(shù)據(jù)代入式（4），可以得到Fy=272.61 lbf=1213 N。

圖6 短邊方向受風(fēng)簡(jiǎn)圖

圖7 短邊方向受風(fēng)的力矩平衡

同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮左右兩側(cè)后排No.2的支架提供的壓緊力。左右兩側(cè)共有2個(gè)鈑金支架，所以分配到每一個(gè)支架的力為F=Fy/2=136.31 lbf=606 N。

由上可見(jiàn)，以不同的邊進(jìn)行力計(jì)算時(shí)，較長(zhǎng)邊所產(chǎn)生的作用在支架的力更大，在后續(xù)的有限元分析中，采用F=157.38 lbf=700 N作為有限元分析作用在支架上輸入載荷的大小。

需要提到的是，由于風(fēng)向的不確定性，并不是所有的風(fēng)都從短邊或長(zhǎng)邊的正面吹過(guò)來(lái)，可能也會(huì)從側(cè)角吹過(guò)來(lái)，直接作用在機(jī)器的側(cè)面板上。如果是全新的支架設(shè)計(jì)和位置布局，需要考慮不同風(fēng)向的影響，必要時(shí)需要在整機(jī)四周布局新增支架，但其計(jì)算方式與上面提到的過(guò)程類似。一般來(lái)說(shuō)，不同的機(jī)器尺寸大小和不同的使用環(huán)境，其所使用的支架也有差異，這些一般都需要在機(jī)器的抗颶風(fēng)支架的附件手冊(cè)中集中體現(xiàn)。本例的支架由于是在原有的設(shè)計(jì)上進(jìn)行的更新設(shè)計(jì)，所以暫不考慮其他的風(fēng)向，簡(jiǎn)化分析載荷。

2 有限元分析校核

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師擁有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和一定的計(jì)算能力，而ANSYS Workbench擁有強(qiáng)大的分析功能，可以幫助工程師快速檢驗(yàn)和校核設(shè)計(jì)，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。進(jìn)行靜力有限元分析時(shí)，一般需要進(jìn)行模型導(dǎo)入簡(jiǎn)化、材料屬性輸入（彈性模量、密度和泊松比等）、接觸設(shè)置、網(wǎng)格劃分、載荷設(shè)置和分析計(jì)算等步驟。

將通過(guò)三維軟件設(shè)計(jì)的組件或零件導(dǎo)入Workbench時(shí)需要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，特別是當(dāng)組件零件非常多或零件較為復(fù)雜時(shí)，需要去除不必要的零件、刪除零件上沒(méi)必要的圓角等特征和定義零件之間的接觸關(guān)系等。為加快分析和計(jì)算時(shí)間，本例直接根據(jù)合力平衡和力矩平衡計(jì)算，從而獲得作用于抗颶風(fēng)支架上的最大作用力。無(wú)需將整機(jī)模型導(dǎo)入到Workbench中，只需對(duì)單個(gè)支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，從而減少模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分和分析計(jì)算等的時(shí)間，大大簡(jiǎn)化分析流程。

2.1 材料輸入

抗颶風(fēng)支架是由厚度為0.060 inch（1.5 mm）的鈑金經(jīng)過(guò)沖壓和折彎形成，大體呈Z形，零件整體長(zhǎng)寬高尺寸為38 mm×28 mm×48 mm,材料為某碳鋼。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用各向同性，其彈性模量E=200 GPa, 泊松比為0.3，材料密度為7.8 g/cm3,屈服強(qiáng)度為41000 psi（283 MPa）。

2.2 確定邊界和加載力

本分析集中研究抗颶風(fēng)支架的強(qiáng)度，將圖8顯示的與底座連接的側(cè)面輔助螺釘孔的約束一并考慮。所以基于前文提到的簡(jiǎn)化，在Workbench中的邊界設(shè)定主要是將支架底部與水泥地面通過(guò)螺栓連接。其載荷則主要是作用于支架頂部，其力的大小與Fy大小相等，方向豎直向上，如圖9所示。

圖8 側(cè)面輔助螺釘孔

圖9 簡(jiǎn)化的支架模型

2.3 變形及應(yīng)力分析結(jié)果

為了查看當(dāng)前更改的支架設(shè)計(jì)是否依然滿足整機(jī)抗颶風(fēng)要求，主要通過(guò)最大變形和應(yīng)力兩個(gè)指標(biāo)來(lái)查看零件是否處于失效狀態(tài)。設(shè)計(jì)目標(biāo)為在遭受最大變形時(shí)，支架依然可以壓住機(jī)器，不至于與機(jī)器分離。其應(yīng)力不超過(guò)屈服強(qiáng)度。基于以上的材料、邊界和載荷輸入，通過(guò)有限元分析得到的計(jì)算結(jié)果如圖10、圖11所示。其中圖10為載荷下的變形圖，圖11為應(yīng)力分布圖。

圖10 變形圖

圖11 應(yīng)力分布

根據(jù)圖中分析得到最大形變位置發(fā)生在鈑金支架的上端，最大變形量為0.076 inch（1.93 mm）, 而零件設(shè)計(jì)的扣搭邊（支架頂部鉤狀特征，用于固定住整機(jī)底座）尺寸為0.2 inch（5.08 mm），故不會(huì)由于支架上端變形而產(chǎn)生與室外機(jī)底座分離現(xiàn)象而產(chǎn)生失效。從應(yīng)力的分析結(jié)果得知，在底部螺釘固定位置處最大（如圖12），結(jié)合實(shí)際制造和安裝工藝考慮，最終選取將轉(zhuǎn)角折彎處的應(yīng)力納入校核范圍（如圖13），其等效的Von-Mises應(yīng)力達(dá)到38 171 psi（263 MPa），小于材料的屈服強(qiáng)度41 000 psi（283 MPa）。

圖12 支架底部應(yīng)力

圖13 折彎處應(yīng)力

綜上所述，抗颶風(fēng)支架在最大變形及最大應(yīng)力兩方面都在零件設(shè)計(jì)和材料的強(qiáng)度范圍內(nèi)，對(duì)當(dāng)前尺寸的整機(jī)，每側(cè)布局兩個(gè)支架滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于不同尺寸的機(jī)器，其支架的使用位置布局和數(shù)量不盡相同，需要逐一進(jìn)行分析和校核。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于室外空調(diào)產(chǎn)品的抗颶風(fēng)設(shè)計(jì)，可以先根據(jù)地方法規(guī)的要求，將其抗颶風(fēng)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品相應(yīng)面的受力問(wèn)題，之后通過(guò)力學(xué)模型簡(jiǎn)化，得到所需要的鈑金結(jié)構(gòu)件載荷的大小。通過(guò)有限元分析，結(jié)合實(shí)際制造和安裝工藝，進(jìn)行零件強(qiáng)度的校核設(shè)計(jì)，可以很好地在設(shè)計(jì)初期縮短開(kāi)發(fā)周期，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供良好的保障。