空調(diào)管路系統(tǒng)動態(tài)仿真及優(yōu)化設(shè)計

陳智勇

摘 要：目前，隨著人們生活水平的提升，空調(diào)的利用率在不斷提高，但分體式空調(diào)室外機的振動與噪聲均相對較大，二者與配管的位置有著直接的聯(lián)系。為了減少空調(diào)的振動與噪聲，要優(yōu)化其管路系統(tǒng)設(shè)計，文章主要介紹了管路系統(tǒng)設(shè)計的概況，分析了空調(diào)管路設(shè)計的優(yōu)化，通過仿真模型與實驗測試，獲得了優(yōu)化設(shè)計的方案，從而提高了企業(yè)設(shè)計的能力，縮短了空調(diào)的研發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：空調(diào)管路；動態(tài)仿真；優(yōu)化設(shè)計

引言

當(dāng)前，分體式空調(diào)室外機評價中兩項重要的指標(biāo)，分別為振動與噪聲，二者受空調(diào)管道的直接影響。振源主要為壓縮機與風(fēng)扇系統(tǒng)，其中前者所占的比重加大，它可以稱之為主要振源。同時，在壓縮機、冷凝管道的作用下，不僅會影響管路的振動與噪音，還會導(dǎo)致管路的斷裂，因此，配管設(shè)計十分重要。針對空調(diào)管路設(shè)計、運行與質(zhì)量等問題，文章研究了空調(diào)管路系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，旨在通過仿真與實驗，提高空調(diào)管路的設(shè)計能力，促進(jìn)空調(diào)的高效運用。

1 管路系統(tǒng)設(shè)計的概況

管路系統(tǒng)設(shè)計的方案主要為基于管路動態(tài)仿真與測試的管路，在此設(shè)計的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了空調(diào)管理設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)，該系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為兩部分，分別為設(shè)計分析子系統(tǒng)與實驗測試子系統(tǒng)，同時還構(gòu)建了管路的三維模型，對管路系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計算，具體體現(xiàn)在固有頻率、振動應(yīng)力及振動響力等。

在管路系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要的系統(tǒng)有分析系統(tǒng)與測試系統(tǒng)，前者的前提條件為I-deas軟件，通過對軟件的二次開發(fā)從而實現(xiàn)的；后者的構(gòu)成有噪聲測試系統(tǒng)、振動測試系統(tǒng)與管路應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)等，對于振動與噪聲二者的測量采用的方法為B&K PULSE3560C，對于應(yīng)力的測量主要采用的方法為動態(tài)電阻應(yīng)變儀。在空調(diào)樣機制作過程中，主要依據(jù)為仿真優(yōu)化結(jié)果，在測試時，主要測試的內(nèi)容為管路與整機的振動、噪聲與應(yīng)力，同時要對管路運行的動態(tài)特征給予關(guān)注，再通過仿真結(jié)果的比較與分析，從而明確了設(shè)計的結(jié)構(gòu)，使設(shè)計得以優(yōu)化[1]。

具體的設(shè)計流程如下：其一，配管的三維設(shè)計，以管路設(shè)計模塊為依據(jù)，設(shè)計配管的三維，并建立相應(yīng)的部件模型與裝配模型；其二，有限元模型的建立，借助I-deas軟件，分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與動力響應(yīng)、計算固有頻率及應(yīng)力仿真等；其三，管路布局的改變，針對不同的布局，計算動態(tài)管路的動態(tài)特性，從而使設(shè)計方案進(jìn)一步優(yōu)化；其四，空調(diào)樣機的制作，通過整機與管路振動與噪聲的測試，將仿真結(jié)果進(jìn)行對比，在滿足相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，便實現(xiàn)了配管結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

根據(jù)上述的設(shè)計分析系統(tǒng)與設(shè)計流程，展開了實際的設(shè)計與開發(fā)，此時的對象為KFR-32W空調(diào)。

2 空調(diào)管路設(shè)計的優(yōu)化

通過對空調(diào)振動與噪聲的研究，提出了控制振動、降低噪聲的方法，并且借助數(shù)字化仿真，在管路布局進(jìn)行調(diào)整后，改變了管路的振動模式，同時也改善了危險處的應(yīng)力；此外，通過對管路影響因素與固有頻率的計算，提出了相應(yīng)的技術(shù)措施。

但在實際工作中，空調(diào)管路設(shè)計仍存在不足，主要表現(xiàn)在：較長的設(shè)計周期、不穩(wěn)定的運行狀態(tài)等。在國內(nèi)，空調(diào)管路設(shè)計主要依據(jù)為經(jīng)驗，主要的設(shè)計流程有：二維設(shè)計、三維設(shè)計、試制、測試、再設(shè)計與再試驗，通過此流程的反復(fù)，最終實現(xiàn)了空調(diào)管路的設(shè)計與生產(chǎn)，但設(shè)計存在諸多問題，如：較長的設(shè)計周期、較差的運行結(jié)果等，同時管路的質(zhì)量也難以得到保證。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化空調(diào)管路設(shè)計。

2.1 仿真模型

關(guān)于有限元仿真模型的建立，需要注意的事項有：（1）修正模型。當(dāng)壓縮機與管路系統(tǒng)裝配后，要對模型的局部區(qū)域進(jìn)行修正，從而保證模型尺寸符合實際的需求，使裝配的效果更加顯著。如果模型中的尺寸存在誤差，則會直接影響裝配，裝配偏差極易出現(xiàn)。（2）選擇單元。在壓縮機與配管方面，其類型、目的與零件結(jié)構(gòu)特點存在差異，因此可以對其進(jìn)行單元劃分，主要方法為Thin Shell，此時單元的厚度為配管的壁厚，而壓縮機的厚度可以借助等效處理法，以壓縮機模型為依據(jù)，計算其表面積與質(zhì)量，進(jìn)而獲得單元的壁厚。（3）處理條件。在對系統(tǒng)邊界條件處理過程中，主要方法有三種，分別為冷凝器接管端部的固定、截止閥接管端部的固定與壓縮機彈簧單元端部節(jié)點的固定。（4）求取點位置。系統(tǒng)響應(yīng)求取點可以為壓縮機回氣管的頂部點。根據(jù)相關(guān)的測試可知，壓縮機回氣管的振動十分嚴(yán)重，其中最為明顯的位置為靠近儲液筒處，通過對求取點的分析，實現(xiàn)了對系統(tǒng)振動狀況的全面了解[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)改變

在對系統(tǒng)的振動進(jìn)行分析時，主要內(nèi)容為固有頻率，它對于動力響應(yīng)的分析也有著積極的意義，它是分析的重要保障。在對管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算時，運用的方法為I-deas Simulation的Response Dynamics，此方法能夠?qū)ο到y(tǒng)的前10階固有頻率進(jìn)行解算。

在管路結(jié)構(gòu)方面，由于其布管的空間、管道走向等均存在各自的特點，因此，改變的內(nèi)容主要體現(xiàn)在回氣管組件與排氣管組件兩方面，其更改的依據(jù)為管路的走向特點與空間大小，對二者更改后，管路結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)改變，因此，需要對其再一次進(jìn)行仿真計算，文章主要介紹了管路布局的兩種情況，通過結(jié)果的分析與比較，具體內(nèi)容為：結(jié)構(gòu)1的前10階固有頻率分別為27.31、30.27、34.23、37.24、42.34、57.34、65.43、96.45、103.45與114.23Hz；結(jié)構(gòu)2的前10階固有頻率分別為47.32、50.27、54.23、87.24、132.34、137.34、1445.23、155.45、163.35與174.13Hz相比較而言，其一的效果良好，其二的效果較壞[3]。

2.3 仿真結(jié)果

根據(jù)兩種結(jié)構(gòu)的固有頻率，通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓縮機的工作頻率在48.34Hz時，結(jié)構(gòu)一的共振現(xiàn)象未出現(xiàn)，而結(jié)構(gòu)二在運行時會出現(xiàn)共振，主要是由于固有頻率與工作效率較為接近。

同時，系統(tǒng)響應(yīng)點的應(yīng)力變化情況與時間有著緊密的聯(lián)系，結(jié)構(gòu)1的最大應(yīng)力為2.72MPa，結(jié)構(gòu)2的最大應(yīng)力為4.49MPa，通過二者的比較，當(dāng)時間點在0.00520時，兩種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值分別為2.72與2.57MPa；當(dāng)時間點在0.01041時兩種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值分別為1.17與3.12MPa；當(dāng)時間點在0.01562時，兩種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值分別為2.09與2.43MPa；當(dāng)時間點在0.02104時，兩種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值分別為2.16與4.49MPa，前者的樣機設(shè)計方案具有一定的優(yōu)勢，因此，在樣機設(shè)計制作過程中選擇了結(jié)構(gòu)一[4]。

2.4 實驗測試

在實驗測試過程中，測試對象為結(jié)構(gòu)一，主要測試的管路為振動較大的部分，即：出口-儲液罐-四通閥，此時壓縮機的管路材質(zhì)特性主要體現(xiàn)在以下幾方面：彈性模量、屈服強度與泊松比等。對壓縮機應(yīng)力的測量主要是指壓縮機保持正常運轉(zhuǎn)，在壓縮機轉(zhuǎn)子與流體的作用下，會出現(xiàn)振動從而引起了一定的壓力，此壓力會導(dǎo)致銅管變彎。

2.5 實驗結(jié)果

根據(jù)上述實驗測試可知，通過對樣機設(shè)計的優(yōu)化，保證了空調(diào)的正常運行，減少了振動、降低了噪聲。在測量過程中，最大的應(yīng)力值是3.11MPa，管路振動的位置與仿真結(jié)果具有一致性，同時引起振動的應(yīng)力頻率與壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率相同，因此，該結(jié)果符合理論假設(shè)的要求。

管路的材質(zhì)為銅，其屈服強度為205MPa，在管路正常運用時，銅管受到的壓力較少，因此避免了銅管的強度破壞。但在實際運行過程中，管路的斷裂現(xiàn)象仍時常出現(xiàn)，造成此問題的原因如下：一種為管路裝配的焊接缺陷，如裂紋，在交變應(yīng)力的影響后，裂紋則會出現(xiàn)擴展，嚴(yán)重情況下則會出現(xiàn)斷裂；另一種為管路裝配的殘余應(yīng)力，主要為裝配應(yīng)力與拉伸應(yīng)力等，它直接影響著空調(diào)的安全與正常運行。因此，在管路裝配過程中，要特別注意焊接與應(yīng)力問題，從而保證空調(diào)的正常運行[5]。

3 結(jié)束語

綜上所述，空調(diào)管路系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化需要借助動態(tài)仿真模型與實驗測試，在此基礎(chǔ)上，才能夠明確空調(diào)管路的配置結(jié)構(gòu)。相信，隨著空調(diào)管路設(shè)計方案的進(jìn)一步完善，空調(diào)的研發(fā)周期將不斷縮短，其設(shè)計的盲目性也將得到有效的避免，從而滿足了企業(yè)實際應(yīng)用的需求。

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