基于ANSYS Workbench空調室外機支架的靜力學分析

（內江師范學院，四川 內江 641100）

0 引言

隨著生活水平的提高，空調使用越來越廣泛，空調室外機的安全問題不容小覷，支架風吹日曬、易氧化生銹，而強度是構件結構設計中最基本的要求，可用于判別構件抵抗破壞能力，因此，支架的強度需要滿足要求[1]。我國空調室外機支架領域的首個行業規范——《空調器室外機安裝用支架規范》對空調室外機支架的強度作出了相關規定，即承載能力不得低于空調器機組自重的4 倍；支架必須使用3 毫米以上厚度的角鋼或鍍鋁鋅鋼板等，但構件具體尺寸沒有嚴格標準。支架結構相對簡單，故常采用工程算法來計算強度，雖然方便快捷，但也存在忽視安裝孔等技術細節對應力的影響、應力集中計算不足以及不能了解支架整體結構的應力分布情況等缺點[2]。近年來，借助有限元軟件進行設計分析，對相關零部件進行強度校核是目前應用比較廣泛的方法。陶卓然[3]利用ANSYS Workbench 軟件對支架進行了靜力學分析，判斷截面形狀和厚度對支架力學性能的影響；魯文喜[4]研究設計了一種家用空調室外機抗颶風支架，并運用ANSYS Workbench 軟件進行支架的強度校核設計；周明杰[5]等人也運用ANSYS Workbench 軟件對空調壓縮機皮帶輪進行了疲勞壽命研究。ANSYS Workbench 軟件具有界面友好、設置簡便、易于上手等優點，能夠分析模擬支架在載荷作用下的應力和應變等。因此本文采用ANSYS Workbench 軟件對某空調室外機支架進行碳素結構鋼Q235 和不銹鋼304 兩種材料屬性下的靜力學分析。

1 材料屬性分析

碳素結構鋼Q235 和不銹鋼304 都屬于塑性材料，該類材料構件在發生屈服前，其抗拉和抗壓性能基本相同。通常情況下，這兩類塑性材料在受到拉伸或壓縮時，很容易產生塑性變形，即屈服現象，而當構件變形過大的時，就會失去正常的工作和承載能力。為了確保構件的正常工作與安全性能，構件應具備足夠的強度以及必要的強度儲備，即不僅工作應力要小于材料被破壞時的極限應力，還要小于許用應力，該許用應力與安全系數和極限應力有關。Q235 有明顯的屈服階段，一般用σs表示其屈服極限，而對于不銹鋼304這種沒有明顯的屈服階段的塑性材料，國際上規定將產生0.2%塑性應變時的應力作為屈服指標，用σp0.2來表示。

存在公式：

式中：σ－許用應力；

FN－垂直于截面的拉（壓）力；

A－橫截面積。

式中：σ－許用應力；

σu－極限應力，塑性材料σu=σs（σp0.2）；

n－安全系數，一般大于1，其值由設計規范規定，塑性材料安全系數用ns表示。

2 靜力學分析

ANSYS Workbench 的靜力學仿真分析流程大概可以分為建立或者導入幾何體模型、進行材料設置、網格劃分、邊界條件設置、求解、結果后處理6 個步驟。值得注意的是，若ANSYS Workbench 材料庫中沒有需要的材料時，可通過設置密度、楊氏模量，泊松比等常見參數進行新材料的添加。在網格劃分環節中，需要注意所劃網格的質量問題，其質量對于仿真分析的結果有著非常關鍵的影響，對于比較簡單的結構形式，可利用ANSYS Workbench 中的Automatic（自動劃分法），僅需調整網格的密度即可達到要求[3]。邊界條件設置中，設置相應的約束并添加載荷，求解計算后得到相應的應力、應變和位移云圖等，根據這些云圖可對分析對象進行強度校核，判斷強度是否符合標準。

2.1 支架3D 模型建立

空調室外機支架沒有嚴格的尺寸標準，下承式角鋼支架是最常見的形式，以某支架為例，采用三維軟件SolidWorks 建立支架的3D 模型，其結構由3 塊不同尺寸的等邊角鋼焊接而成，構件1 上有3 個 Φ15mm的固定孔，尺寸為500mm×40mm×3mm，構件2 上有2 個用于固定安裝空調室外機長為 50mm、寬為 15mm的圓弧槽口，尺寸為 6 00mm×45mm×4mm，構件3 的尺寸為400mm×30mm×3mm。

2.2 支架載荷分析

空調室外機采用的是兩副相同結構的支架共同支撐，兩支架完全對稱，故只需要對一側的支架進行分析即可，本文選用某種格力空調室外機為研究對象，總質量為 54kg，重力加速度取忽略支架自重，根據《空調器室外機安裝用支架規范》規定，一側支架受力載荷不小于 1058.4N。

2.3 Q235 材料的支架靜力學分析

將支架的3D 模型導入ANSYS Workbench 中，簡化模型，設置材料為碳素結構鋼Q235，其密度ρ=7.85×103kg/m3，楊氏模量 E=210Gpa，泊松比ν=0.3，Q235 的屈服強度σs=235Mpa，安全系數選取1.5，經計算得其許用應力［σ］=156.7Mpa，選用自動劃分法劃分網格，經檢測網格質量較好，構件1 背面因借助固定孔而固定在墻面上，將其和三個固定孔的自由度全部約束，并將固定孔的螺栓力抽象為無摩擦支撐力，添加 1058.4N的載荷并求解，獲得應力云圖（見圖1）、總位移云圖（見圖2），由圖1可知，最大應力為 87.161Mpa，由圖2可知總位移位于構件2 最外側，為 0.32416mm，變形量較小，因此，對于 54kg的空調室外機，該支架強度滿足要求。

圖1 Q235 支架應力云圖

圖2 Q235 支架總位移云圖

2.4 不銹鋼304 材料的支架靜力學分析

目前，市面上不銹鋼材質的空調室外機支架也較為流行，應用ANSYS Workbench 軟件對該類材質支架進行靜力學分析，并將之與Q235 材質的支架進行強度比對。借助原有模型，重復上述操作，將材料屬性進行更改，設置材料為不銹鋼304，其密度ρ=7.93×103kg/m3，楊氏模量 E=194Gpa，泊松比ν=0.3，不銹鋼304 的屈服強度σp0.2=205Mpa，安全系數選取1.5，經計算得其許用應力 ［σ］=136.6Mpa，添加 1058.4N的載荷并求解，獲得應力云圖（見圖3），總位移云圖（見圖4），由圖3可知，最大應力為 87.161Mpa，由圖4可知總位移為 0.3509mm，變形量較小，因此，對于 54kg的空調室外機，該支架強度也滿足要求。

圖3 不銹鋼304 支架應力云圖

圖4 不銹鋼304 支架總位移云圖

分別對比圖1和圖3、圖2和圖4，可知：同種尺寸、同種受力載荷下，Q235 和不銹鋼304 材料類型的支架應力相同，總變形相差略有差距，Q235材質的支架變形量小于不銹鋼304 的支架變形量。根據公式（1）可知，應力σ與FN和A有關，在不考慮材料自重的情況下，兩者的受力狀態相同，由于幾何尺寸相同，那么同一點的應力自然相同，因此上述兩類材料支架的應力相同。但因為材料不同，楊氏模量、泊松比等不同，所以變形是不同的。值得注意的是，空調室外機一般安裝在室外，常年風吹日曬，尤其是南方地區，潮濕多雨，普通角鋼雖然剛度比不銹鋼304 大，價格便宜，但容易生銹，使用壽命5～7年，長時間使用容易出現安全事故，不銹鋼支架造價高，但具有耐腐蝕、抗氧化、不銹性等特性，比較耐用、安全，使用壽命10～15年。支架在不同環境和使用年限下，腐蝕情況不同，其承載能力亦不相同，若支架或工作環境較好，如少經風吹雨打、日曬雨淋，或采用其他防銹材質或表面經過一定的防銹處理，銹蝕率會大大降低，則有利于延長其使用壽命，安全性能更有保證。

3 結語

本文利用 ANSYS Workbench 對不同材料的空調室外機支架進行靜力學分析，可知，對于 54kg的空調室外機，Q235 和不銹鋼304 兩種材質的支架強度均滿足要求，且兩類材質的支架在尺寸和受力載荷相同的情況下，應力相同，總變形略有差距，但相差不大。結合支架構件材質的相關性能及工作環境的相關分析，可對空調室外機支架的選擇提供一定的參考價值。