基于ANSYS Workbench的冷凝器组件模态分析

孙玉波 张 行 郭豪凯

基于ANSYS Workbench的冷凝器组件模态分析

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（1.海军驻洛阳地区航空军事代表室，河南 洛阳 471000；2.新乡航空工业（集团）有限公司，河南 新乡 453049）

基于ANSYS Workbench有限元仿真分析软件，研究某冷凝器组件的模态，使机载产品的动态性能在图纸设计阶段就得到相应优化。这些新技术的研究和应用，对机载产品可靠性的提高、开发周期的缩短和开发成本的降低等具有十分重要的现实意义。

机载蒸发循环系统；冷凝器组件；ANSYS Workbench；模态分析

冷凝器组件是机载蒸发循环系统的重要组成部分［1］。鉴于冷凝器组件在机载蒸发循环制冷系统中的作用，其一般安装在机舱外部，受其他机载设备工作振动的影响较大，工作环境比较恶劣。例如，直升机机载蒸发循环系统的冷凝器组件一般安装在机舱顶部，受发动机和主桨工作振动的共同影响，对冷凝器组件的强度和动态性能提出了更高要求。因此，在设计机载蒸发循环系统冷凝器组件的过程中，加强对冷凝器组件进行动态性能分析是一项非常重要的工作。

1 冷凝器组件仿真模型的建立

本文以某直升机机载蒸发循环系统的冷凝器组件为研究对象，利用ANSYS Workbench有限元仿真软件对其动态性能进行分析，并在此基础上进行动力学设计，使冷凝器组件的动态性能在图纸设计阶段就能得到优化，从而寻求一种经济合理的结构，使其动态性能满足预先给定的设计要求。冷凝器组件主要由冷凝芯体、冷凝风机、冷凝器壳体和风道组成［2］。由于冷凝芯体和冷凝风机结构中存在特征比较精细的翅片和风机扇叶，且冷凝芯体和冷凝风机在试验和使用中极少出现失效的情况，因此，在有限元建模时将冷凝芯体和冷凝风机作为实体零件处理。同时，为了保证仿真分析的可靠性，提高仿真计算效率，需要对冷凝器组件的三维数模进行必要简化，主要为：①去掉尺寸较小的孔、凸台及倒角；②适当省略小体积或小质量的部件；③尽量使产品的质量不变，外形尺寸不变，约束配合的面积与关系不变［3］。

将简化后的模型导入ANSYS Workbench有限元仿真分析软件中，划分过网格后的有限元模型如图1。冷凝器组件共有1 281 202个节点、732 452个单元［4］。冷凝器壳体材料为5A02。冷凝器组件有限元模型质量为6.12 kg，测量冷凝器组件实体质量为6.36 kg，由于建模过程进行了必要简化，所以冷凝器组件的有限元模型是合理的。

图1 冷凝器组件有限元模型

2 冷凝器组件的模态分析

为了分析冷凝器组件的各阶固有频率和其动力特性，需要对冷凝器组件进行模态分析。模态分析是谐响应、随机振动、响应谱等动力学分析的基础［5］。

按照实际装机状态，对冷凝器组件与动力平台地板配合处施加固定约束，通过有限元仿真分析，可以得到冷凝器组件的模态分析结果（前6阶），如表1所示。

表1 冷凝器组件前6阶固有频率

冷凝器组件的前2阶固有频率分别为341.99Hz、902.46Hz，其对应的前2阶模态振型分别如图3（a）、图3（b）所示。冷凝器组件机上安装位置振动频率影响范围为10～500Hz［6］，从上述分析可知，只有第1阶固有频率处于振动频率影响范围之内。由图3（a）可知其振动方向为沿冷凝器组件安装方向的Y向，因此，在振动试验中需要特别关注冷凝器组件沿Y向的振动［7］。

3 结语

通过应用ANSYS Workbench有限元仿真分析软件对机载蒸发循环系统用冷凝器组件进行模态分析，得到冷凝器组件的固有频率和模态振型，找出冷凝器组件设计中的薄弱环节。在机载产品设计初期，通过有限元仿真分析对机载产品的动态性能进行预测和优化。这些新技术的研究和应用，对机载产品可靠性的提高、开发周期的缩短和开发成本的降低等具有十分重要的现实意义。

图3 前2阶模态振型

［1］寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

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［3］余建祖.换热器原理与设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［4］张呈林，郭才根.直升机总体设计［M］.北京：国防工业出版社，2007.

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［7］李兵，何正嘉，陈雪峰.ANSYS Workbench设计、仿真与优化.［M］.北京：清华大学出版社，2008.

Modal Analysis of Condenser Based on ANSYS Workbench

Sun Yubo1Zhang Hang2Guo Haokai2
（1.Aeronautical Military Representative Office of Navyin Luoyang，Luoyang Henan 471000；2.Avic Xinxiang Aviation Industry(Group)Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453049）

Based on ANSYS Workbench finite element simulation software,the modal of a condenser compo⁃nent was studied,so that the dynamic performance of the airborne products could be optimized in the de⁃sign stage.The application of these new methods not only improves the working capability of the new con⁃denser，but also reduces the development costs and development cycle of the new production.

ACS；condenser；ANSYS Workbench；modal analysis

TB65

A

1003-5168（2017）10-0045-02

2017-09-01

孙玉波（1977-），男，硕士，工程师，研究方向：机械设计。