空調管路系統動態仿真及優化設計

陳智勇

摘 要：目前，隨著人們生活水平的提升，空調的利用率在不斷提高，但分體式空調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系。為了減少空調的振動與噪聲，要優化其管路系統設計，文章主要介紹了管路系統設計的概況，分析了空調管路設計的優化，通過仿真模型與實驗測試，獲得了優化設計的方案，從而提高了企業設計的能力，縮短了空調的研發周期。

關鍵詞：空調管路；動態仿真；優化設計

引言

當前，分體式空調室外機評價中兩項重要的指標，分別為振動與噪聲，二者受空調管道的直接影響。振源主要為壓縮機與風扇系統，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，還會導致管路的斷裂，因此，配管設計十分重要。針對空調管路設計、運行與質量等問題，文章研究了空調管路系統的優化設計，旨在通過仿真與實驗，提高空調管路的設計能力，促進空調的高效運用。

1 管路系統設計的概況

管路系統設計的方案主要為基于管路動態仿真與測試的管路，在此設計的基礎上，實現了空調管理設計系統的開發，該系統的構成主要分為兩部分，分別為設計分析子系統與實驗測試子系統，同時還構建了管路的三維模型，對管路系統進行了仿真計算，具體體現在固有頻率、振動應力及振動響力等。

在管路系統設計過程中，主要的系統有分析系統與測試系統，前者的前提條件為I-deas軟件，通過對軟件的二次開發從而實現的；后者的構成有噪聲測試系統、振動測試系統與管路應力應變測試系統等，對于振動與噪聲二者的測量采用的方法為B&K PULSE3560C，對于應力的測量主要采用的方法為動態電阻應變儀。在空調樣機制作過程中，主要依據為仿真優化結果，在測試時，主要測試的內容為管路與整機的振動、噪聲與應力，同時要對管路運行的動態特征給予關注，再通過仿真結果的比較與分析，從而明確了設計的結構，使設計得以優化[1]。

具體的設計流程如下：其一，配管的三維設計，以管路設計模塊為依據，設計配管的三維，并建立相應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，分析結構的應力與動力響應、計算固有頻率及應力仿真等；其三，管路布局的改變，針對不同的布局，計算動態管路的動態特性，從而使設計方案進一步優化；其四，空調樣機的制作，通過整機與管路振動與噪聲的測試，將仿真結果進行對比，在滿足相關要求的基礎上，便實現了配管結構的設計。

根據上述的設計分析系統與設計流程，展開了實際的設計與開發，此時的對象為KFR-32W空調。

2 空調管路設計的優化

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

但在實際工作中，空調管路設計仍存在不足，主要表現在：較長的設計周期、不穩定的運行狀態等。在國內，空調管路設計主要依據為經驗，主要的設計流程有：二維設計、三維設計、試制、測試、再設計與再試驗，通過此流程的反復，最終實現了空調管路的設計與生產，但設計存在諸多問題，如：較長的設計周期、較差的運行結果等，同時管路的質量也難以得到保證。因此，需要進一步優化空調管路設計。

2.1 仿真模型

關于有限元仿真模型的建立，需要注意的事項有：（1）修正模型。當壓縮機與管路系統裝配后，要對模型的局部區域進行修正，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。（2）選擇單元。在壓縮機與配管方面，其類型、目的與零件結構特點存在差異，因此可以對其進行單元劃分，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，計算其表面積與質量，進而獲得單元的壁厚。（3）處理條件。在對系統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點的固定。（4）求取點位置。系統響應求取點可以為壓縮機回氣管的頂部點。根據相關的測試可知，壓縮機回氣管的振動十分嚴重，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，實現了對系統振動狀況的全面了解[2]。

2.2 結構改變

在對系統的振動進行分析時，主要內容為固有頻率，它對于動力響應的分析也有著積極的意義，它是分析的重要保障。在對管路結構進行計算時，運用的方法為I-deas Simulation的Response Dynamics，此方法能夠對系統的前10階固有頻率進行解算。

在管路結構方面，由于其布管的空間、管道走向等均存在各自的特點，因此，改變的內容主要體現在回氣管組件與排氣管組件兩方面，其更改的依據為管路的走向特點與空間大小，對二者更改后，管路結構將出現改變，因此，需要對其再一次進行仿真計算，文章主要介紹了管路布局的兩種情況，通過結果的分析與比較，具體內容為：結構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；結構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 仿真結果

根據兩種結構的固有頻率，通過比較發現，當壓縮機的工作頻率在48.34Hz時，結構一的共振現象未出現，而結構二在運行時會出現共振，主要是由于固有頻率與工作效率較為接近。

同時，系統響應點的應力變化情況與時間有著緊密的聯系，結構1的最大應力為2.72MPa，結構2的最大應力為4.49MPa，通過二者的比較，當時間點在0.00520時，兩種結構的最大應力值分別為2.72與2.57MPa；當時間點在0.01041時兩種結構的最大應力值分別為1.17與3.12MPa；當時間點在0.01562時，兩種結構的最大應力值分別為2.09與2.43MPa；當時間點在0.02104時，兩種結構的最大應力值分別為2.16與4.49MPa，前者的樣機設計方案具有一定的優勢，因此，在樣機設計制作過程中選擇了結構一[4]。

2.4 實驗測試

在實驗測試過程中，測試對象為結構一，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特性主要體現在以下幾方面：彈性模量、屈服強度與泊松比等。對壓縮機應力的測量主要是指壓縮機保持正常運轉，在壓縮機轉子與流體的作用下，會出現振動從而引起了一定的壓力，此壓力會導致銅管變彎。

2.5 實驗結果

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

管路的材質為銅，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，管路的斷裂現象仍時常出現，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，在交變應力的影響后，裂紋則會出現擴展，嚴重情況下則會出現斷裂；另一種為管路裝配的殘余應力，主要為裝配應力與拉伸應力等，它直接影響著空調的安全與正常運行。因此，在管路裝配過程中，要特別注意焊接與應力問題，從而保證空調的正常運行[5]。

3 結束語

綜上所述，空調管路系統的設計優化需要借助動態仿真模型與實驗測試，在此基礎上，才能夠明確空調管路的配置結構。相信，隨著空調管路設計方案的進一步完善，空調的研發周期將不斷縮短，其設計的盲目性也將得到有效的避免，從而滿足了企業實際應用的需求。

參考文獻

[1]張敬東，起雪梅，杜仕武.空調管路振動性能分析及優化設計[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2013，5：705-710.

[2]吳集迎.制冷系統動態仿真若干問題分析[J].集美大學學報（自然科學版），2014：72-78.

[3]李海超，姚運仕，馮忠緒.液體融雪劑灑布管路系統動態仿真研究[J].工程設計學報，2014，3：259-265.

[4]張東梅，杜吳東.空調管路振動性能的分析及設計[J].北京大學學報，2014，5：5-7.

[5]吳松輝，張朝陽.空調系統動態仿真若干問題分析[J].長春大學學報（自然科學版），2013，4：62-63.