新型空調外機鈑金設計與強度分析

潘 捷，趙 翔

（中國船舶電站設備有限公司，上海 200129）

0 引言

近年來，由于我國經濟快速發展，帶動了空調制造業的發展。2000年至今，空調制造業的規模、技術都有了長足的進步。現在，中國已經是世界上首屈一指的空調制造大國，銷量和產量都排在世界第一梯隊。伴隨經濟的快速發展，人們不僅僅對空調的需求量越來越大，且人們對空調的要求不再僅僅只是制冷，空調的噪聲污染成為了人們衡量產品的重要指標。

空調由于內部結構復雜，振動所產生的噪聲源有很多。空調外機的噪聲源主要來自壓縮機和風機，其中由風機帶來的振動，是最主要的噪聲源之一。當受到激勵作用時，由金屬薄板組成的空調外機殼體會產生較強烈的振動，對周圍環境產生噪聲。由于室外機一般是直接或者間接固定在墻壁上，所以產生的共振也是有可能會引起墻體的共振，可能產生較為嚴重的后果，如脫落或支架斷裂等。

當前，空調的設計是向著美觀和實用性設計，并且原材料價格的也是日益提升，空調外機的鈑金件質量也相對更加輕量化，這會導致空調外機的整體以及局部的結構剛度的下降，從而使得其本身的鈑金件結構振動所產生的噪聲污染問題愈發嚴重，使得用戶的日常使用深受影響。空調外機的殼體振動引起的噪音主要為低頻率噪音，壓縮機所產生的噪音和管路系統引起的噪音多為高頻率。由于低頻聲波波長較長，輻射能力也相對來說較強，使得所產生的噪音更難以被障礙物阻擋，與壓縮機和管路系統所產生的噪音相比較下是更容易被用戶接收到。因此，低頻薄板件的振動和噪聲是本次設計主要研究方向。

1 基本概況

1.1 設計目的、意義及技術要求

本文為降低空調外機的噪音，主要通過更換另一種風機來達成其降低噪音的目的。

現在空調外機使用的風機，主要是軸流風機，即入風方向與出風方向一致，我們稱之為“軸流式”，因為氣體流動方向與風機軸流方向平行。結構比較簡單，但對于數據的準確性要求較高。

本設計改進方向是將軸流式風機更換為Hillock風機（離心風機），將風向進行了改變，從空調外機兩側出風。Hillock風機的原理是動能向勢能的轉換，改變流體的方向。

因為空調外機的核心——風機的改變，空調外機的殼體鈑金件和內部的管路也需要做出相應的改變以適應新的風機，即為空調外機做出新的殼體鈑金件設計。

1.2 國內外發展概況及存在的問題

設計過程是一個綜合性、創造性的勞動過程，包括整個設計的可行性分析、總體布置、結構設計、仿真分析。這些過程都存在對方案的優化問題，即結構性能優化設計。

對于空調室外機而言，可以分為壓縮機、風機等的減振降噪。

1.2.1 壓縮機的減振降噪

制冷壓縮機是室外空調機的重要組成部分。從某種角度來說，制冷系統的制造設計研究就是如何將壓縮機的功率體現發揮出來。因此，壓縮機振動產生的噪聲是室外機噪聲的主要來源之一，在進行空調外機減振降噪的設計研究中也是主要的研究對象。張榮婷等結合理論與實際，分析周期性噪聲產生的原因，提出了改善低頻噪音的有效相應措施[1]。

1.2.2 風機的減振降噪

當前，國內外的研究人員都在研究改善空調外機的軸流風機產生的氣流流動從而達到空調外機的減振降噪的目的。GUE等[2]用試驗和數值模擬相結合，對冰箱風扇噪聲進行了分析，得到了通過改變風機葉片結構，降低風扇噪聲的設計方案。

1.2.3 配管的減振降噪

于翔麟等[3]通過對空調動態特性的研究，提出了相應改進措施，有效地改善并進一步降低空調的噪聲。

1.3 應解決的主要問題

本文設計的主要目的是為了降低空調外機的噪音，主要是從振動入手，使用Hillock風機替換軸流風機。選定Hillock風機后，以Hillock風機、壓縮機和蒸發器為核心建立外部殼體鈑金件、風機支架和管路等部件。使用Creo建立空調外機模型，再使用ANSYS軟件進行模態分析，得出空調外機的殼體應力應變分布情況，選取其中比較有代表性的階態作為空調外機殼體的參考數據；最后，優化結構參數并修正厚度和薄板壓型。主要的研究步驟為：

1）設計更換風機后的空調外機實體模型，圍繞風機、壓縮機、蒸發器使用Creo建立空調外機鈑金件三維建模，并設計多種壓型方案。

2）將空調外機鈑金件的Creo建模模型導入ANSYS中，對空調外機殼體鈑金件進行模態分析，研究應力應變分布情況并比較優化前后的應力應變。

3）得到ANSYS的模態分析結果后，再次針對空調外機鈑金件的參數、壓型等作出調整。

2 空調外機總體設計

根據設計，將軸流風機改為Hillock風機。Hillock風機原理是將動能轉化為勢能。通過先將氣體加速，然后再減速并且改變氣體流向，從而使動能轉變為勢能，其優點在于風量小風壓都會很大，風機在工作時，產生的噪音遠小于軸流式風機。特點把風管內介質的流向由軸向改為法相或其他方向。

2.1 設計原理

設計的原理是以Hillock風機、壓縮機、蒸發器為核心，建立殼體鈑金件。

空調外機的壓縮機將吸入的低壓制冷劑壓縮成高壓氣體流入冷凝器，室外機的風機轉動使通過冷凝器的空氣帶走其部分熱量，使得高壓氣體在常溫下凝結成高壓液體。高壓液體經過過濾器、節流閥后流入蒸發器，并在低壓下蒸發，吸取周圍的熱量[4]。同時，橫流風機使進入蒸發器翅片間的空氣進行熱交換，將制冷后的空氣送入室內空調機組，達成制冷降溫的目的。

2.2 Creo 建模

2.2.1 總體設計

因為本設計是以更換風機為新型設計概念。因此首先使用Creo建立Hillock風機模型，見圖1和圖2。Hillock風機是由背部進風，再由兩側出風的形式，見圖3，和通常所用的家用空調所安裝的位置并不相同。由于Hillock風機兩側出風，我們將其安裝在空調外機整體偏后的位置，并在前面放置壓縮機等，見圖4。Hillock風機和壓縮機位置選定后，我們再放置蒸發器（冷凝器），因為蒸發器通常放置在風機入風口前，所以我們選擇將蒸發器放置在Hillock風機后面，即空調外機的背板上面，見圖5和圖6。

圖1 Hillock 風機正面

圖2 Hillock 風機背面

圖3 Hillock 風機內部結構

圖4 壓縮機放置示意圖

圖5 蒸發器放置示意圖1

圖6 蒸發器放置示意圖2

2.2.2 主要殼體鈑金件模型設計

因為Hillock風機兩側出風，兩側不對稱，所以兩側的出風柵格并非對稱設計，依照Hillock風機出風口進行設計，如圖7和圖8所示。為了抗形變的強度以及美觀化考慮，對前、頂進行壓型設計，可設計多種壓型方案（方形、回形、條形），以方便后續ANSYS進行變形分析，見圖9～圖14。

圖7 左側板出風柵格示意圖

圖8 右側板出風柵格示意圖

圖9 前板方形壓型設計

圖10 前板回形壓型設計

圖11 前板條形設計

圖12 頂蓋方形壓型設計

圖13 頂蓋回形壓型設計

圖14 頂蓋條形壓型設計

2.2.3 風機支架設計及最終模型

為防止風機在空調外機內部發生相對位置偏移，因此在風機上方，設計風機支架，將風機與蒸發器的位置進行固定，再將風機支架對頂蓋支撐設計，見圖15。最終裝配模型見圖16。

圖15 風機支架建模

圖16 總體設計（隱藏前板與頂蓋）

2.3 ANSYS Workbench 分析

2.3.1 結構動力學分析

動力學分析是用來確定慣性和阻尼起重要作用時結構的動力學行為的技術，典型動力學行為如振動特性。

2.3.2 ANSYS Workbench 平臺

ANSYS是ANSYS公司開發的基于有限元技術的cae軟件。ANSYS Workbench軟件由于其適應性，是當今世界上最流行的cae分析軟件之一。ANSYS與市面上大部分的計算機畫圖建模軟件，如Creo、AutoCAD等的數據都能很好的適配。ANSYS Workbench包含的模塊功能很多，從動力學到流體力學，結構力學還有電磁都能很好的進行有限元分析，在眾多領域都有著廣泛的應用。

2.3.3 ANSYS 模態分析

該設計分析使用到的是ANSYSWorkbench中的Modal模塊，材料選擇鋁合金。將在Creo建立的空調外機鈑金件導入ANSYS中。

考慮到忽略非線性因素，本次分析將模型中各個組件所有接觸類型定位為Bonded，即綁定接觸，見圖17。常用的網格有4種：六面體、四面體、棱柱和棱錐網格。本模型網格單元總數約為7萬個，空調外機薄板件上多采用六面體網格，對于過渡較為復雜的采用四面體網格以及其他網格。兩者之間的過渡部分自動生成棱錐或棱柱網格，見圖18和圖19。

圖17 定義接觸

圖18 網格劃分

圖19 網格劃分細節

對方形、回形、條形三種壓型設計分別進行模態分析，模擬空調外機結構的前20階結果，見圖20～圖23。

圖20 方形壓型模態數據

圖21 回形壓型模態數據

圖22 條形壓型模態數據

圖23 壓型模態條狀圖

模態分析所得結果中的位移值和變形趨勢只是相對的，代表的是在某一階態的振動量的相對值，而不是實際值。通常模型的固有頻率大于試驗結果。在高階模態振型范圍內，其規律性減弱，所以高階模態求解的誤差較大。提取前3階模態的模態振型圖，見圖24～圖32。

圖24 方形第1 階模態振型

圖25 方形第2 階模態振型

圖26 方形第3 階模態振型

圖27 回形第1 階模態振型

圖28 回形第2 階模態振型

圖29 回形第3 階模態振型

圖30 條形第1 階模態振型

圖31 條形第2 階模態振型

圖32 條形第3 階模態振型

根據經驗，風機帶動空調外機的振動頻率約為48 Hz，所以我們再取結果在48 Hz附近的2階頻率，見圖33～圖38。以及倍數頻率，方形壓型第17階，見圖39。

圖33 方形第5 階模態振型

圖34 方形第6 階模態振型

圖35 回形第5 階模態振型

圖36 回形第6 階模態振型

圖37 條形第4 階模態振型

圖38 條形第5 階模態振型

圖39 方形第17 階模態振型

所取典型階態頻率相對應的應力位置及相對變形量，見表1。

從圖24～圖39及表1可以得出以下結論和分析：

表1 典型階態頻率與應變表

1）48 Hz附近的2階頻率，小于48 Hz頻率產生的形變和應力多集中在側板，尤其是集中在右側板發生形變，大于48 Hz頻率產生的形變和應力多集中在前板。

2）空調外機殼體的鈑金件其他頻率共振多集中于前板和頂蓋，在96 Hz左右的共振激勵下，系統鈑金件的形變和應力均集中在前板。

從鈑金件模態分析變形和應力分布，后續研究可從以下2個方面進行：

1）對鈑金件的壓型進行重新設計，以使空調外機的鈑金件模態振型第5階、6階的固有頻率更好的遠離48 Hz，以避免左右側板共振現象的產生，壓型不宜做的過于簡單。

2）殼體鈑金件的厚度，由1 mm增加至1.2 mm～1.5 mm。

3 結論

隨著人們生活水平的不斷提高，空調外機的減振降噪研究一直是空調結構研究設計中關注的焦點，隨著模擬技術有限元分析的不斷發展，利用cae技術對空調外機的振動和形變進行預測成為了產前必須進行的工作。本次設計將軸流風機更換為Hillock風機（Hillock風機）的創新下，利用有限元軟件ANSYS Workbench軟件的模態分析能力，分析了空調運行過程中空調外機的鈑金件振動和應力分布情況，本次設計研究工作主要為以下幾個方面：

通過研究數據，為空調外機裝配上Hillock風機，從而達成靜音降噪的目的。以Hillock風機、壓縮機、蒸發器為核心部件，重新設計空調外機的殼體鈑金件，適配Hillock風機。使用Creo軟件對空調外機進行三維建模。

使用ANSYS Workbench軟件，導入Creo建立的三維模型，對空調外機的鈑金件進行模態分析，空調外機的鈑金件的模態分析結果顯示：系統的第5階和第6階模態與空調外機工作頻率較為接近，進而產生系統共振；鈑金件的壓型可以做的相對復雜一些會提高抗形變的強度。