空調(diào)支架的有限元分析

周亮

摘 要：由于空調(diào)支架為一個(gè)完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，空調(diào)的重量均勻分部在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)支架上，因此只要對(duì)空調(diào)支架的一側(cè)進(jìn)行分析即可達(dá)到對(duì)整體空調(diào)支架的分析，同時(shí)也達(dá)到了簡(jiǎn)化空調(diào)支架分析的目的。本文分三部分完成：一，空調(diào)支架一側(cè)的建模；二，利用有限元分析軟件對(duì)建好的空調(diào)支架模型進(jìn)行有限元分析；三，根據(jù)空調(diào)支架模型有限元分析的結(jié)果對(duì)支架進(jìn)行強(qiáng)度校核以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度校核 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一、引言

19世紀(jì)，英國(guó)科學(xué)家及發(fā)明家麥可·法拉第，發(fā)現(xiàn)壓縮及液化某種氣體可以將空氣冷凍，此現(xiàn)象出現(xiàn)液化氨氣蒸發(fā)時(shí)，當(dāng)時(shí)其意念仍留于理論化。1842年，佛羅里達(dá)州醫(yī)生約翰·哥里以壓所落成的新大樓設(shè)有中央空調(diào)。一名新澤西州的工程師Alfred Wolff協(xié)助設(shè)計(jì)此嶄新的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并把技術(shù)由紡織廠遷移至商業(yè)大廈，他被認(rèn)為是令工作環(huán)境變得涼快的先驅(qū)之一。被稱(chēng)為制冷之父的美國(guó)發(fā)明家威利斯·哈維蘭德·卡里爾于1902年設(shè)計(jì)并安裝了第一部空調(diào)系統(tǒng)，并于1906年得到注冊(cè)專(zhuān)利。

目前市場(chǎng)上流通的空調(diào)支架的材質(zhì)主要有3種：普通角鋼材料，安全使用期一般為5年—7年；防銹能力較強(qiáng)的普通鍍鋅板，安全使用期一般為7年—10年；具有超強(qiáng)防銹能力的鍍鋁鋅鋼板或不銹鋼材料，安全使用期約為10年—15年。

二、空調(diào)支架的特點(diǎn)分析

由于空調(diào)支架為一個(gè)完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，空調(diào)的重量均勻分部在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)支架上，因此只要對(duì)空調(diào)支架的一側(cè)進(jìn)行分析即可達(dá)到對(duì)整體空調(diào)支架的分析，同時(shí)也達(dá)到了簡(jiǎn)化空調(diào)支架分析的目的。本次作業(yè)可以分三部分來(lái)完成：一，空調(diào)支架一側(cè)的建模；二，利用有限元分析軟件對(duì)建好的空調(diào)支架模型進(jìn)行有限元分析；三，根據(jù)空調(diào)支架模型有限元分析的結(jié)果對(duì)支架進(jìn)行強(qiáng)度校核以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

三、空調(diào)支架的建模

本次進(jìn)行的是空調(diào)支架的靜力分析，在SolidWorks中建模后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析，劃分合適的網(wǎng)格并分析，本文采用的有限元分析軟件為美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件ANSYS15.0。建立模型包括設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題，定義單元類(lèi)型、定義材料屬性、建立三維模型、劃分有限元網(wǎng)格。

3.1、設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題

打開(kāi)ANSYS軟件進(jìn)入ANSYS操作界面，首先從主菜單中選擇【Preferences】命令，勾選Structural。然后從實(shí)用菜單中選擇【Change Jobname】命令，將文件名修改為Ktzj，從實(shí)用菜單中選擇【Change Title】命令，將標(biāo)題修改為Ktzj。

3.2、定義單元類(lèi)型

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)分析問(wèn)題的幾何結(jié)構(gòu)、分析類(lèi)型和所分析的問(wèn)題精度要求等，選定適合具體分析的單元類(lèi)型。本文中選用8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid185。

3.3、定義材料屬性

由于空調(diào)支架所用材料為45#鋼，故可查得45#鋼的彈性模量為210Gpa，泊松比為0.3。從主菜單中選擇Preprocessor>Material Props>Material Models命令，打開(kāi)定義材料模型屬性窗口，對(duì)材料彈性模量和泊松比進(jìn)行設(shè)置。

3.4、導(dǎo)入空調(diào)支架的三維實(shí)體模型

在SolidWorks中建模后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析，選擇ANSYS，菜單→File→Import→PARA→選擇liangan.x_t→OK

3.5、生成實(shí)體

菜單PlotCtrols→Style→SolidModles Facts→選擇Normal Faceing→OK：然后菜單→Plot→Volunes→OK建模

3.6、實(shí)體模型網(wǎng)格劃分

從主菜單中選擇Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令，打開(kāi)“Mesh Tool”（網(wǎng)格工具），勾選“Smart Size”滑標(biāo)值默認(rèn)設(shè)置為6，“Mesh”的對(duì)象選擇“Volumes”，“Shape”選擇“Tet”“Free”，然后單擊【Mesh】，打開(kāi)實(shí)體選擇對(duì)話框，單擊【Pick All】按鈕對(duì)空調(diào)支架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

四、空調(diào)支架模型的有限元分析

本次進(jìn)行的是空調(diào)支架的靜力分析，在SolidWorks中建模后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析，劃分合適的網(wǎng)格并分析，最終根據(jù)空調(diào)支架模型有限元分析的結(jié)果對(duì)支架進(jìn)行強(qiáng)度校核以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

空調(diào)支架模型網(wǎng)格劃分完之后，接下來(lái)將對(duì)其進(jìn)行有限元分析，其內(nèi)容包括定義載荷及邊界條件、求解、查看結(jié)果等。

4.1定義載荷及邊界條件并求解

由于在這只對(duì)空調(diào)支架的一側(cè)進(jìn)行分析，即一側(cè)支架承受空調(diào)重量一半的載荷，因此就可以算出加載到長(zhǎng)為340mm寬為50mm長(zhǎng)方形面上的面載荷。即：

根據(jù)空調(diào)支架的特點(diǎn)，在這對(duì)支架的邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，將支架靠近墻壁一側(cè)端面的自由度全部約束。

下面為定義載荷及邊界條件的具體操作：

從主菜單中選擇Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Areas彈出拾取對(duì)話框，拾取所需加載面，輸入上文計(jì)算出的壓力值。接著對(duì)支架靠近墻壁一側(cè)的端面進(jìn)行約束，從主菜單中選擇Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Areas彈出拾取對(duì)話框，拾取支架靠近墻壁一側(cè)的端面對(duì)自由度全部約束。

然后對(duì)其進(jìn)行求解，從主菜單中選擇Solution>Solve>Current LS命令，打開(kāi)一個(gè)確認(rèn)對(duì)話框和狀態(tài)表，查看列表中的信息確認(rèn)無(wú)誤后，單擊【OK】按鈕，開(kāi)始求解。求解完成后打開(kāi)求解結(jié)束對(duì)話框，單擊【Close】按鈕，關(guān)閉提示求解結(jié)束對(duì)話框。

4.2查看結(jié)果

4.2.1查看總變形

4.2.2瀏覽節(jié)點(diǎn)上的Von Mises應(yīng)變值。

執(zhí)行Main Menu-General Posproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu設(shè)置好后單擊OK按鈕，生成結(jié)果

4.2.3瀏覽節(jié)點(diǎn)上的Von Mises應(yīng)力值。

執(zhí)行Main Menu-General Posproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu，設(shè)置好后單擊OK按鈕，生成結(jié)果。

五、強(qiáng)度校核以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于空調(diào)支架所用材料為45#鋼，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》可查得其抗拉強(qiáng)度為600MPa。從上面的應(yīng)力應(yīng)變有限元分析結(jié)果分析可以算得支架在Y方向上的最大應(yīng)力為158MPa，第一主應(yīng)力最大值為為395MPa，兩者均遠(yuǎn)小于其許可應(yīng)力。因此空調(diào)支架滿足支撐強(qiáng)度要求，無(wú)需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邱宣懷等.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，1997年，第四版，204-232