基于ANSYS 17.0的風冷螺桿式冷水機組數(shù)值模擬

倪佩佩

(英格索蘭亞太工程技術中心，江蘇 太倉 215400)

0 引言

近年來，隨著人們生活質量的不斷改善，對舒適性的生活環(huán)境要求的不斷提高，促進了空調產業(yè)的蓬勃發(fā)展，尤其是冷水機組在大型中央空調系統(tǒng)中的廣泛應用[1]。由于風冷螺桿式冷水機組具有模塊化、結構緊湊、安裝簡單、無需冷卻塔、節(jié)水等優(yōu)點，被廣泛地應用于商場、賓館、辦公樓等公共建筑的舒適性中央空調系統(tǒng)[2]。

考慮到機組重量的不同以及需要經過長距離的運輸才能到達客戶指定的安裝地點等情況，在運輸?shù)倪^程中會由于路面不平、卡車的急轉彎、加速、剎車等產生的加速度載荷。為了滿足風冷螺桿式機組在運輸過程中結構的強度、剛度和穩(wěn)定性，采用基于有限元分析法，對其結構進行靜力學分析，以降低設計帶來的結構風險。

1 結構設計

1.1 風冷螺桿式冷水機組工作原理

風冷螺桿式冷水機組的工作原理如圖1所示。主要有壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥等部件組成。其制冷工作過程如下：壓縮機不斷抽吸蒸發(fā)器中低溫低壓的制冷劑蒸汽，并將它壓縮至冷凝壓力變成高溫高壓的氣體，經過冷凝器后制冷劑冷凝時發(fā)出的熱量通過冷卻介質(空氣)帶走；冷凝后的制冷劑液體通過膨脹閥后降壓降溫；制冷劑進入蒸發(fā)器吸熱汽化變成過熱蒸汽，然后進入壓縮機進行下一次循環(huán)，從而實現(xiàn)制冷目的[3]。

圖1 風冷螺桿式冷水機組的工作原理圖

1.2 風冷螺桿式冷水機組整體設計

首先要對風冷螺桿式冷水機組有個整體的布局，明確總體尺寸長、寬、高的要求。風冷冷水機組主要分成兩大部分：其中上部分主要是風機盤管，下部分主要是底盤、壓縮機、蒸發(fā)器、油分離器、電控箱等零件。其次，對底盤上重要零部件的安裝位置進行固定，避免零件之間相互干涉。除了重要零件的安裝位置之外，還需要對整個系統(tǒng)進行管路設計，確保制冷劑在其回路中都能正常運行。圖2為利用Creo建立的風冷螺桿式冷水機組三維實體模型。

圖2 風冷螺桿式機組三維實體模型

2 模型分析

ANSYS Workbench 17.0通過采用協(xié)同仿真的新功能來快速地完成模型的分析，從而能夠在降低產品設計成本的前提下顯著加快新產品的研發(fā)與設計。圖3為Workbench 17.0協(xié)同仿真的圖解，其操作主要是通過簡單的鼠標拖拽的方法，實現(xiàn)相同模型的接觸和網格劃分只需一步操作就能使數(shù)據(jù)之間相互交換，從而將整個仿真過程緊密地組合在一起。

圖3 風冷機組Workbench協(xié)同仿真圖解

2.1 簡化模型

風冷螺桿式冷水機組是由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、四通換向閥、油液分離器等部件所組成，當機組運輸時需要足夠的強度和剛度，以保證風冷螺桿式冷水機組在各種重力加速度方向上都能正常運行。為了對機組進行有限元分析，對模型中的倒角、小圓孔以及一些不必要的特征需要進行簡化處理。圖4為風冷螺桿式冷水機組在Workbench中的簡化模型。

圖4 風冷螺桿式冷水機組簡化模型

2.2 網格劃分

網格劃分是有限元分析的關鍵步驟，網格數(shù)目的多少會對計算結果的精確性產生較大的影響。本文采用ANSYS Workbench中薄面掃掠的方法，共得到1 162 758個單元，1 237 644個節(jié)點。

2.3 載荷及約束

載荷的施加：由于風冷螺桿式冷水機組在運輸過程中會受到3個方向上的載荷:分別為3gy、1gy+1gx以及1gy+1gz方向上的載荷。約束條件：底盤橫梁固定約束。

3 計算結果及分析

當風冷螺桿式冷水機組運輸時，由于路面不平及長時間的運輸，整個機組受到的實際載荷是由1倍的重力加速度和2倍的交變載荷組成。因此通常選取y方向的3倍加速度載荷來計算等效應力值。圖5為風冷螺桿式冷水機組以3gy的加速度運動工況下，整個機組機構的整體位移與等效應力求解結果。

圖5 位移、應力云圖

由圖5可以看出風冷螺桿式冷水機組以3gy的加速度運動時，機組的最大位移出現(xiàn)在油分的支撐處，且最大位移為3.95mm。機組的最大等效應力產生于壓縮機和蒸發(fā)器支撐的螺栓螺母處，最大等效應力為794.15MPa。

當運輸卡車加速時會產生1gy+1gx的加速度載荷，此時機組的最大位移出現(xiàn)在風冷盤管處，機組的最大等效應力產生于風冷盤管和立柱的螺栓螺母連接處。而當運輸卡車轉彎時會產生1gy+1gz的加速度載荷，此時機組的最大位移出現(xiàn)在立柱處，機組的最大等效應力產生于立柱與斜撐的螺栓螺母連接處，具體數(shù)值如表1所示。由于最大等效應力產生于螺栓螺母的連接處，此處會導致應力集中的現(xiàn)象，通過校核螺栓螺母之間的最大正應力和剪切應力的值在標準范圍之內，滿足此情況下的運輸要求。

表1 機組以1gy+1gx、1gy+1gz加速度的最大位移和等效應力

4 結語

本文通過Creo軟件建立風冷螺桿式冷水機組的三維模型，并利用軟件接口將模型導入到ANSYS Workbench 17.0中進行強度和剛度的校核。基于有限元軟件對運輸過程中的3gy、1gy+1gx以及1gy+1gz方向上的3種情況進行靜力學分析，結果表明：風冷螺桿式冷水機組的結構設計滿足運輸過程的要求，能夠達到客戶預期的目標。