空調(diào)器室外機(jī)安裝架力學(xué)強(qiáng)度的仿真分析研究

鄭小郴

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

對于空調(diào)產(chǎn)品的研究大部分都在于整機(jī)性能及功能上的開發(fā)研究。對于輔料及一些配件成為各研究人員不想涉及的領(lǐng)域。然而，只有從小至大、從配件至整機(jī)等全方位的周全思考，嚴(yán)密評估，才能開發(fā)出可靠的、實(shí)用的、符合大眾需求的產(chǎn)品。2021年董澤華針對空調(diào)室外機(jī)支架安全現(xiàn)狀，從腐蝕、支架力矩、強(qiáng)度等多方面，并結(jié)合GB 17790《家用和類似用途空調(diào)器安裝規(guī)范》、GB/T 10125《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》以及GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的相關(guān)要求；進(jìn)行受力及性能的分析，并總結(jié)出相關(guān)結(jié)論以提高支架的安全性。結(jié)合其他人員的科研結(jié)果，目前對于支撐架的研究存在兩個(gè)缺陷，其一是忽略空調(diào)室外機(jī)因壓縮機(jī)導(dǎo)致左右兩邊重力差異大，其次是對于仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的缺失。當(dāng)前，一些海外地區(qū)物資匱乏，客戶需要我司提供空調(diào)外機(jī)安裝支架，作為配件采購。由于目前采購的安裝架（出口海外）為零星采購物料，成本略高且不受控，因此，我司出口下單自制1P、2P、3P室外機(jī)安裝架。為保證產(chǎn)品可靠性要求，在產(chǎn)品投模前，需進(jìn)行承重試驗(yàn)，本文同時(shí)從理論方面，利用仿真的方法計(jì)算出各配合零件的應(yīng)力分布云圖，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，提供最優(yōu)解決方案。

1 理論仿真計(jì)算

通過有限元仿真的方法模擬安裝支架、螺栓、角鋼的應(yīng)力分布和變形云圖。

1.1 確定各零件的材料參數(shù)如表1

表1 各零件的材料參數(shù)

1.2 有限元模型的建立

因安裝支架主要支撐空調(diào)室外機(jī)，固可簡化為靜力模型。將空調(diào)室外機(jī)簡化為重塊放置于安裝支架上，由于主要研究的對象為安裝架、角鐵、螺栓的受力情況，可將這幾個(gè)零件的網(wǎng)格劃分得較密，重塊與墻壁的網(wǎng)格劃分較粗，如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.3 載荷、邊界條件

載荷：將所有零件施加豎直向下的重力加速度載荷：

G=9 806 m/s2

邊界條件：①固定墻壁 ；②設(shè)置面面接觸對：對于沒有相對滑移趨勢的零件間設(shè)置綁定接觸，如：安裝支架與重物塊、螺栓與角鐵等；對于有相對滑移趨勢的零件件設(shè)置不分離接觸，如安裝支架與角鐵、角鐵與墻壁。對非線性接觸實(shí)體表面，也可使用罰函數(shù)方程：

式中：

F—有限的接觸力；

K—接觸剛度；

X—穿透量。

2 靜力仿真實(shí)驗(yàn)

分別對1P、2P、3P殼體進(jìn)行靜力仿真計(jì)算:

[K]—一個(gè)常量矩陣，假設(shè)是線彈性材料行為，使用小變形理論；

{F}—靜態(tài)加在模型上的，且不考慮隨時(shí)間變化的力（不包含慣性影響）。

2.1 1 P殼體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)任務(wù)單要求，1 P的殼體的最大承重為200 kg，相應(yīng)的設(shè)置重塊密度為7.64E-6 kg/mm3，剛好使模型重塊的質(zhì)量為200 kg。固定墻壁，設(shè)置重塊、支架等豎直向下的重力加速度G，并設(shè)置各零件間接觸對，進(jìn)行靜力學(xué)求解，如圖3所示。

圖2 受力示意圖

圖3 1 P殼體各零件變形云圖

根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大的應(yīng)力位置發(fā)生在最下面的方徑螺栓的一個(gè)角上，為108.1 Mpa,支架的最大的應(yīng)力為79.77 Mpa如圖4，均小于各自的屈服極限，故1 P殼體各零件的強(qiáng)度足夠，材料不會(huì)發(fā)生屈服變形。

圖4 1 P殼體支架應(yīng)力分布云圖

2.2 2 P殼體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)任務(wù)單要求，2P的殼體的最大承重為250 kg，相應(yīng)的設(shè)置重塊密度為8.65E-6 kg/mm3，剛好使模型重塊的質(zhì)量為250 kg。應(yīng)力與變形分布情況仿真如圖5、圖6所示。

圖5 2 P殼體各零件承重變形云圖

圖6 2 P殼體安裝架承重應(yīng)力云圖

根據(jù)以上2 P殼體的仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力分布情況，基本和1 P殼體一致，應(yīng)力最大位置依然是方徑螺栓的一個(gè)角處，為155 Mpa，安裝支架和角鋼的最大應(yīng)力均較小，在屈服極限范圍內(nèi)。

2.3 3 P殼體實(shí)際驗(yàn)證

根據(jù)任務(wù)單要求，3 P的殼體的最大承重為300 kg，相應(yīng)的設(shè)置重塊密度為9.04E-6 kg/mm3，剛好使模型重塊的質(zhì)量為300 kg。應(yīng)力與變形分布情況仿真如如圖7、圖8所示。

圖7 3 P殼體各零件變形云圖

圖8 3 P殼體安裝支架應(yīng)力分布云圖

可以觀察到3 P殼體的承重為300 kg，而最大的應(yīng)力為139.09反而小于2 P殼體的最大應(yīng)力，是由于安裝支架的寬度較寬和螺栓孔的位置分布間距較大所致，安裝支架和螺栓的最大應(yīng)力均在屈服極限范圍內(nèi)。

2.4 對比分析

以上3個(gè)殼體所仿真出的應(yīng)力均在材料的屈服極限之內(nèi)，較為安全，對于靜力載荷，安全系數(shù) =1.2～2.5。計(jì)算出的應(yīng)力越小，安全系數(shù)越高，產(chǎn)品越可靠。由以上計(jì)算得到最大應(yīng)力位置在方徑螺栓上，為減小該最大應(yīng)力，在不影響產(chǎn)品裝配的情況下，增加方形部分長度，利用1 P殼體進(jìn)行對比分析計(jì)算，如圖9、圖10所示。

圖9 目前所采用方徑螺栓

圖10 加長方形部分長度

通過對比分析，目前所采用的方徑螺栓受剪切的面積較小，所以螺栓容易被剪切破壞，增加了承受剪切的面積之后，應(yīng)力有了較大的改善由108.1 Mpa降低到68.25 Mpa，且最大的應(yīng)力位置由螺栓配合位置轉(zhuǎn)移到支架與角鋼接觸的位置。

圖12 支架間距239 mm

考慮兩個(gè)安裝支架的之間距離對應(yīng)力的影響情況，通過如下應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)支架間距對應(yīng)力的影響不大。

考慮實(shí)際室外機(jī)在安裝時(shí)，有壓縮機(jī)一邊的重量會(huì)比另一邊稍重，以1 P殼體為例調(diào)整重塊在支架上擺放的位置，作對比分析。如圖13、圖14所示，最大應(yīng)力從108.1 Mpa上升到127.08 Mpa，但是最大應(yīng)力均在屈服極限之內(nèi)。

圖13 重塊在中間位置

圖14 重塊右移50 mm

3 承重試驗(yàn)

3.1 零件收縮率

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：試制分廠

實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2013-1-31至2013-2-2

實(shí)驗(yàn)器材：安裝支架、膨脹螺栓、角鋼、方徑螺栓、砝碼、扳手等。

實(shí)驗(yàn)方法：模擬實(shí)際分體室外機(jī)的安裝方式進(jìn)行承重試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：1#、2#、3#安裝架均無螺栓松脫、彎曲、開裂、錯(cuò)位；安裝架無變形、開裂等現(xiàn)象，如圖15所示。

圖15 顯示區(qū)域的澆口與顯示區(qū)域距離

4 結(jié)論

同本文利用理論仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，分析了三種殼體的安裝支架等零件的應(yīng)力分布情況，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核，三種支架都是安全的，但為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性，在不影響裝配的情況下，可適當(dāng)加高方徑螺栓的方形部分。目前市面上的支撐架存在多種不同的結(jié)構(gòu)方式，本次文章只簡述了當(dāng)前對應(yīng)的空調(diào)器及所搭配的外機(jī)支撐架。在實(shí)際的設(shè)計(jì)產(chǎn)品中，我們的設(shè)計(jì)應(yīng)該于不拘一束，對不同的產(chǎn)品的搭配應(yīng)該有細(xì)致、可靠的結(jié)構(gòu)搭配；站在成本、工廠、消費(fèi)者的角度去設(shè)計(jì)，做到日益改善，精益求精！