空调管路系统动态仿真及优化设计

陈智勇

摘 要：目前，随着人们生活水平的提升，空调的利用率在不断提高，但分体式空调室外机的振动与噪声均相对较大，二者与配管的位置有着直接的联系。为了减少空调的振动与噪声，要优化其管路系统设计，文章主要介绍了管路系统设计的概况，分析了空调管路设计的优化，通过仿真模型与实验测试，获得了优化设计的方案，从而提高了企业设计的能力，缩短了空调的研发周期。

关键词：空调管路；动态仿真；优化设计

引言

当前，分体式空调室外机评价中两项重要的指标，分别为振动与噪声，二者受空调管道的直接影响。振源主要为压缩机与风扇系统，其中前者所占的比重加大，它可以称之为主要振源。同时，在压缩机、冷凝管道的作用下，不仅会影响管路的振动与噪音，还会导致管路的断裂，因此，配管设计十分重要。针对空调管路设计、运行与质量等问题，文章研究了空调管路系统的优化设计，旨在通过仿真与实验，提高空调管路的设计能力，促进空调的高效运用。

1 管路系统设计的概况

管路系统设计的方案主要为基于管路动态仿真与测试的管路，在此设计的基础上，实现了空调管理设计系统的开发，该系统的构成主要分为两部分，分别为设计分析子系统与实验测试子系统，同时还构建了管路的三维模型，对管路系统进行了仿真计算，具体体现在固有频率、振动应力及振动响力等。

在管路系统设计过程中，主要的系统有分析系统与测试系统，前者的前提条件为I-deas软件，通过对软件的二次开发从而实现的；后者的构成有噪声测试系统、振动测试系统与管路应力应变测试系统等，对于振动与噪声二者的测量采用的方法为B&K PULSE3560C，对于应力的测量主要采用的方法为动态电阻应变仪。在空调样机制作过程中，主要依据为仿真优化结果，在测试时，主要测试的内容为管路与整机的振动、噪声与应力，同时要对管路运行的动态特征给予关注，再通过仿真结果的比较与分析，从而明确了设计的结构，使设计得以优化[1]。

具体的设计流程如下：其一，配管的三维设计，以管路设计模块为依据，设计配管的三维，并建立相应的部件模型与装配模型；其二，有限元模型的建立，借助I-deas软件，分析结构的应力与动力响应、计算固有频率及应力仿真等；其三，管路布局的改变，针对不同的布局，计算动态管路的动态特性，从而使设计方案进一步优化；其四，空调样机的制作，通过整机与管路振动与噪声的测试，将仿真结果进行对比，在满足相关要求的基础上，便实现了配管结构的设计。

根据上述的设计分析系统与设计流程，展开了实际的设计与开发，此时的对象为KFR-32W空调。

2 空调管路设计的优化

通过对空调振动与噪声的研究，提出了控制振动、降低噪声的方法，并且借助数字化仿真，在管路布局进行调整后，改变了管路的振动模式，同时也改善了危险处的应力；此外，通过对管路影响因素与固有频率的计算，提出了相应的技术措施。

但在实际工作中，空调管路设计仍存在不足，主要表现在：较长的设计周期、不稳定的运行状态等。在国内，空调管路设计主要依据为经验，主要的设计流程有：二维设计、三维设计、试制、测试、再设计与再试验，通过此流程的反复，最终实现了空调管路的设计与生产，但设计存在诸多问题，如：较长的设计周期、较差的运行结果等，同时管路的质量也难以得到保证。因此，需要进一步优化空调管路设计。

2.1 仿真模型

关于有限元仿真模型的建立，需要注意的事项有：（1）修正模型。当压缩机与管路系统装配后，要对模型的局部区域进行修正，从而保证模型尺寸符合实际的需求，使装配的效果更加显著。如果模型中的尺寸存在误差，则会直接影响装配，装配偏差极易出现。（2）选择单元。在压缩机与配管方面，其类型、目的与零件结构特点存在差异，因此可以对其进行单元划分，主要方法为Thin Shell，此时单元的厚度为配管的壁厚，而压缩机的厚度可以借助等效处理法，以压缩机模型为依据，计算其表面积与质量，进而获得单元的壁厚。（3）处理条件。在对系统边界条件处理过程中，主要方法有三种，分别为冷凝器接管端部的固定、截止阀接管端部的固定与压缩机弹簧单元端部节点的固定。（4）求取点位置。系统响应求取点可以为压缩机回气管的顶部点。根据相关的测试可知，压缩机回气管的振动十分严重，其中最为明显的位置为靠近储液筒处，通过对求取点的分析，实现了对系统振动状况的全面了解[2]。

2.2 结构改变

在对系统的振动进行分析时，主要内容为固有频率，它对于动力响应的分析也有着积极的意义，它是分析的重要保障。在对管路结构进行计算时，运用的方法为I-deas Simulation的Response Dynamics，此方法能够对系统的前10阶固有频率进行解算。

在管路结构方面，由于其布管的空间、管道走向等均存在各自的特点，因此，改变的内容主要体现在回气管组件与排气管组件两方面，其更改的依据为管路的走向特点与空间大小，对二者更改后，管路结构将出现改变，因此，需要对其再一次进行仿真计算，文章主要介绍了管路布局的两种情况，通过结果的分析与比较，具体内容为：结构1的前10阶固有频率分别为27.31、30.27、34.23、37.24、42.34、57.34、65.43、96.45、103.45与114.23Hz；结构2的前10阶固有频率分别为47.32、50.27、54.23、87.24、132.34、137.34、1445.23、155.45、163.35与174.13Hz相比较而言，其一的效果良好，其二的效果较坏[3]。

2.3 仿真结果

根据两种结构的固有频率，通过比较发现，当压缩机的工作频率在48.34Hz时，结构一的共振现象未出现，而结构二在运行时会出现共振，主要是由于固有频率与工作效率较为接近。

同时，系统响应点的应力变化情况与时间有着紧密的联系，结构1的最大应力为2.72MPa，结构2的最大应力为4.49MPa，通过二者的比较，当时间点在0.00520时，两种结构的最大应力值分别为2.72与2.57MPa；当时间点在0.01041时两种结构的最大应力值分别为1.17与3.12MPa；当时间点在0.01562时，两种结构的最大应力值分别为2.09与2.43MPa；当时间点在0.02104时，两种结构的最大应力值分别为2.16与4.49MPa，前者的样机设计方案具有一定的优势，因此，在样机设计制作过程中选择了结构一[4]。

2.4 实验测试

在实验测试过程中，测试对象为结构一，主要测试的管路为振动较大的部分，即：出口-储液罐-四通阀，此时压缩机的管路材质特性主要体现在以下几方面：弹性模量、屈服强度与泊松比等。对压缩机应力的测量主要是指压缩机保持正常运转，在压缩机转子与流体的作用下，会出现振动从而引起了一定的压力，此压力会导致铜管变弯。

2.5 实验结果

根据上述实验测试可知，通过对样机设计的优化，保证了空调的正常运行，减少了振动、降低了噪声。在测量过程中，最大的应力值是3.11MPa，管路振动的位置与仿真结果具有一致性，同时引起振动的应力频率与压缩机的运转频率相同，因此，该结果符合理论假设的要求。

管路的材质为铜，其屈服强度为205MPa，在管路正常运用时，铜管受到的压力较少，因此避免了铜管的强度破坏。但在实际运行过程中，管路的断裂现象仍时常出现，造成此问题的原因如下：一种为管路装配的焊接缺陷，如裂纹，在交变应力的影响后，裂纹则会出现扩展，严重情况下则会出现断裂；另一种为管路装配的残余应力，主要为装配应力与拉伸应力等，它直接影响着空调的安全与正常运行。因此，在管路装配过程中，要特别注意焊接与应力问题，从而保证空调的正常运行[5]。

3 结束语

综上所述，空调管路系统的设计优化需要借助动态仿真模型与实验测试，在此基础上，才能够明确空调管路的配置结构。相信，随着空调管路设计方案的进一步完善，空调的研发周期将不断缩短，其设计的盲目性也将得到有效的避免，从而满足了企业实际应用的需求。

参考文献

[1]张敬东，起雪梅，杜仕武.空调管路振动性能分析及优化设计[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2013，5：705-710.

[2]吴集迎.制冷系统动态仿真若干问题分析[J].集美大学学报（自然科学版），2014：72-78.

[3]李海超，姚运仕，冯忠绪.液体融雪剂洒布管路系统动态仿真研究[J].工程设计学报，2014，3：259-265.

[4]张东梅，杜吴东.空调管路振动性能的分析及设计[J].北京大学学报，2014，5：5-7.

[5]吴松辉，张朝阳.空调系统动态仿真若干问题分析[J].长春大学学报（自然科学版），2013，4：62-63.