家用柜式空調(diào)鈑金件減振降噪設計研究

高旭 楊春生 熊軍

(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

家用柜式空調(diào)鈑金件減振降噪設計研究

高旭 楊春生 熊軍

(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

基于CAE仿真分析技術對某型家用柜式空調(diào)鈑金件動力學分析，結(jié)合噪聲診斷分析結(jié)果，通過改變加強筋的設計參數(shù)實現(xiàn)對鈑金件的模態(tài)振型優(yōu)化，提升了鈑金件的減振降噪性能。試驗結(jié)果表明：經(jīng)優(yōu)化后，空調(diào)鈑金件噪聲振動輻射降低，空調(diào)內(nèi)機聲品質(zhì)明顯改善。

振動與波；空調(diào)；CAE；減振降噪

1 引言

隨著生活品質(zhì)的提升，人們對家用電器的品質(zhì)要求也越來越高，更加關注家用電器的聲品質(zhì)。對于家用電器企業(yè)來說，產(chǎn)品具有良好的聲品質(zhì)無疑對產(chǎn)品競爭力的提升有很大幫助。

空調(diào)產(chǎn)品也不例外，消費者對聲品質(zhì)的要求有增無減。由于我國相對電網(wǎng)諧波含量要求標準較寬，監(jiān)管也缺失，對于不同區(qū)域、不同時候電網(wǎng)諧波含量偏高引起電源畸變，導致近年來柜內(nèi)機噪音問題突出，一方面可提高電機的抗諧波能力；另一方面降低鈑金件響應，優(yōu)化結(jié)構(gòu)動力學性能。

針對鈑金件等板材振動與噪聲輻射的關系，也是振動控制研究的熱點。國內(nèi)外學者從不同的角度研究振動與噪聲輻射的關系，希望揭示其內(nèi)在的聯(lián)系，找到一個直接衡量聲輻射的物理量。有的學者利用FEM、BEM仿真技術研究加筋板與聲輻射的關系[1]；有的學者通過模型振型優(yōu)化，需求降低聲輻射的方法，也提出了聲輻射模態(tài)與噪聲輻射關系[2][3][4][5]等等。

本文結(jié)合柜內(nèi)機存在的“嗡嗡聲”問題，從響應端分析后板的壓筋參數(shù)，利用有限元動力學分析技術對后板結(jié)構(gòu)進行固頻、振型優(yōu)化，提升后板的減振降噪性能，提升空調(diào)的聲品質(zhì)。

2 壓筋參數(shù)研究

結(jié)構(gòu)的動力學性能決定于結(jié)構(gòu)形式，針對空調(diào)零部件所采用的鈑金件存在以下兩個問題：（1）鈑金件厚度薄（0.6～1.15mm）；（2）鈑金件的面積大。

以上問題不僅導致結(jié)構(gòu)強度差，還會嚴重影響結(jié)構(gòu)的動力學性能，使得減振降噪性能差。在不增加成本的前提下，通過增加加強筋

設計改變結(jié)構(gòu)性能。但如何保證在結(jié)構(gòu)強度加強的同時，又能提升結(jié)構(gòu)的振動、聲學性能，有必要從壓筋的參數(shù)（壓筋深度（h）、壓筋寬度（b））方面進行優(yōu)化研究。考慮到回彈變形問題，模具工藝對壓筋深度有具體要求，本文僅研究壓筋的寬度變化對結(jié)構(gòu)固頻及結(jié)構(gòu)動力學響應的影響規(guī)律。

圖2 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)模型

圖3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)模型

表1 結(jié)構(gòu)模態(tài)固頻對比表

表2 不同筋寬諧響應分析結(jié)果

表3 原后板固有頻率一覽表

表4 優(yōu)化后板固有頻率一覽表

2.1 有限元模型簡化及建立

結(jié)合柜機噪聲振動傳遞路徑分析，從激勵端到響應端，一條重要的且和“嗡嗡聲”直接相關的傳遞路徑：電機→減振膠墊→定位螺栓→后板，因此電磁“嗡嗡聲”問題的處理，將分析模型簡化為后板及電機模型。

對分析簡化模型進行網(wǎng)格劃分，考慮鈑金件面積大且薄，采用殼單元shell63進行模擬；電機主要考慮質(zhì)量的影響，同樣采用殼單元shell63模擬，質(zhì)量采用修正材料密度保證等質(zhì)量，所建立的有限元模型如圖1所示。

邊界約束：后板采用四邊全位移約束，電機與后板間通過節(jié)點耦合方式連接。

2.2 不同壓筋參數(shù)下的動力學分析

2.2.1 不同壓筋參數(shù)下的模態(tài)分析

不改變后板壓筋方式，僅更改壓筋寬度進行模態(tài)分析結(jié)果對比，具體數(shù)據(jù)見表1，重點對比激勵頻率100Hz附近的固頻。

表1仿真數(shù)據(jù)對比表明：

（1）在加強筋的寬度為26、28、30mm時，結(jié)構(gòu)的固有頻率偏離電機激勵頻率100Hz幅度較

大，不易引起共振；

（2）同時考慮到仿真過程中對螺栓連接的模擬與實際連接有所差異，實際結(jié)構(gòu)剛度有所上升。

綜合分析認為加強筋寬度為26、28、30mm時，結(jié)構(gòu)對激勵頻率得到有效規(guī)避。

2.2.2 不同壓筋參數(shù)下的諧響應分析

為確定結(jié)構(gòu)在諧波載荷作用下，結(jié)構(gòu)位移以及應力的變化情況進行了諧響應分析。模態(tài)分析結(jié)果表明壓筋寬度為26、28、30mm時較優(yōu)，因此針對以上情況進行諧響應分析。所選電機型號為LN90X，技術參數(shù)為輸出功率64W，轉(zhuǎn)速530r/min，轉(zhuǎn)矩1.15N·m。仿真施加的載荷為扭矩1.15N·m，頻率為100Hz。

分析結(jié)果如表2，表明：

（1）不同的壓筋寬度諧響應分析結(jié)果相比，加強筋為28mm結(jié)果最優(yōu)；

（2）壓筋寬度為28mm時，諧響應分析結(jié)構(gòu)的最大位移、最大應力分別為0.00204mm、0.656027MPa。

（3）結(jié)果也表明電機安裝部位數(shù)結(jié)構(gòu)相對薄弱環(huán)節(jié)，需進一步加強，考慮在凸包處壓十字筋。

3 某機型柜式空調(diào)內(nèi)機鈑金件優(yōu)化分析

對售后反饋存在噪聲問題的機型，進行加強筋優(yōu)化，并通過固頻、振型分布確認最優(yōu)方案并進行實驗驗證。

3.1 結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化

分析結(jié)果表明壓筋寬度設置為28mm最優(yōu)，壓筋形式采用“井”字型結(jié)構(gòu)，減少筋條間的寬度，減少筋條間的變形，優(yōu)化前后模型見圖2、圖3。

3.2 有限元模態(tài)分析

根據(jù)前述分析結(jié)果，評估后板結(jié)構(gòu)的動力學性能，電機影響較小，因此直接針對后板及其加強零件建模分析，如圖4、5，評估固頻、振型情況。

優(yōu)化前后的分析結(jié)果見表3、表4，結(jié)果表明：

（1）優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度大幅度改善，低階固頻由15.7Hz提升至26.8Hz；

（2）固頻方面與激勵頻率（100Hz）相比，優(yōu)化后較接近激勵頻率，但振型得到明顯改善，振動最大區(qū)域位于底部，考慮到底部安裝基座為塑料件利于振動能量耗散，在上部大范圍區(qū)域振動較小。

綜上，結(jié)合固頻、振型分布優(yōu)化后方案總體效果優(yōu)于優(yōu)化前。

3.3 實驗驗證

對優(yōu)化前后的后板裝機進行噪音對比測試，因篇幅有限，本文僅對比優(yōu)化前后低、高風檔的噪音情況。如圖6、7所示，試驗結(jié)果結(jié)果表明：優(yōu)化后的后板與優(yōu)化前，噪音總值有所降低，且電磁噪聲（100Hz、200Hz、300Hz）峰值不明顯，整機聲品質(zhì)得以提升。

4 結(jié)論

通過對柜式空調(diào)內(nèi)機后板鈑金件有限元動力學分析以及試驗驗證，對比分析結(jié)果表明：

（1）改變壓筋參數(shù)即壓筋寬度，模態(tài)、諧響應分析結(jié)果表明，在鈑金件厚度不改變的情況下，筋寬28mm綜合效果最優(yōu)；

（2）在壓筋結(jié)構(gòu)布局方面，仿真及試驗結(jié)果驗證采用“井”字型壓筋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度得到大幅度提高，利于減振降噪；

（3）柜內(nèi)機減振降噪分析表明，電機的安裝位置的強度對整體減振隔振具有重要意義，需重點考慮該處的振型及剛度[6]；

（4）鈑金件的減振降噪不單需要考慮固頻偏離電機激勵頻率，防止共振，由于所采用鈑金件厚度薄，模態(tài)密度高，有時很難避開激勵頻率，因此降噪更為重要的需要優(yōu)化振型，避免出現(xiàn)較大振動集中區(qū)域。

圖4 原后板綜合振型（102Hz）

圖5 優(yōu)化后板綜合振型（99.5Hz）

圖6 優(yōu)化前噪音情況（37.6dB(A) 23.7dB(A)/395.5Hz）

圖7 優(yōu)化后噪音情況（36.6dB(A) 21.9dB(A)/395.5Hz）

[1] 孫登敏. 基于FEM—BEM的加筋板結(jié)構(gòu)與聲輻射優(yōu)化設計研究[D]. 南京：江蘇科技大學，2012:42-45.

[2] 左曙光等. 基于聲輻射控制的板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J]. 同濟大學學報（自然科學版），2012.40(1).

[3] 陳美霞等. 加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)振動與輻射噪聲關系分析[J]. 中國艦船研究，2007.2(5).

[4] 石煒. 矩形薄板的振動與聲輻射研究及其控制[D].成都：西南交通大學，2010:6-15.

[5] 臧獻國等. 基于模態(tài)振型形狀優(yōu)化的結(jié)構(gòu)聲輻射控制[J]. 機械工程學報，2010.46(9).

[6] 劉成武等. 壓縮機機體聲輻射的模態(tài)特性研究[J].流體機械，2006.34(12).

The research on vibration and noise control of sheet-metal design for floor-standing air-conditioner

GAO Xu YANG Chunsheng XIONG Jun
（Gree Electric Appliances, INC. of Zhuhai Zhuhai 519070）

Based on CAE simulation technology, dynamic analysis for sheet-metal of indoor unit of floor-standing airconditioner is done. According to the results of noise diagnostic analysis, modal shape optimization of sheet-metal parts is achieved by changing stiffener design parameters. So vibration and noise performance of sheet-metal parts are under control. The test results show that the noise and vibration radiation of the optimized sheet-metal is reduced because of modal shape optimization and the sound quality of indoor unit is significantly improved.

Vibration and wave; Air conditioner; CAE; Vibration and noise control