空调室外机箱体的数值优化设计

刘忠民，何 超

( 海信科龙电器股份有限公司，佛山 528303 )

1 前言

随着社会的进步与发展，空调产品早已走入千家万户，而用户的消费需求也越来越高，空调产品的各项指标也不断升级，从技术角度来讲，为了支撑产品的快速升级换代，必须引入更加高效的设计方法和手段，在设计阶段进行性能预测与优化，确保基本功能得以实现的前提下，整个系统的和谐统一。

箱体设计除了满足其支撑效果、安装便捷、外形美观等传统特性外，更深层次的设计，是要求箱体具有更加硬朗的值感，即结构刚度；要求其提供良好舒适感受，即优良的振动噪声表现。对室外机箱体进行振动优化分析，就是要在同样的激励源作用下，箱体振动更小，噪声辐射更小。

随着CAE技术的发展，用计算机数字模型实现产品的设计和仿真，减少不必要的物理样机，已成为业界共识。不过，数值分析毕竟是对实际结果的物理抽象，不同分析目的需要不同的建模思路，本文通过优化完善有限元模型的准确度，综合考虑结构静力学及动力学特性，并引入自动优化仿真分析，建立了一套完善的基于数值分析的室外机开发手段，并运用此方法进行实际优化设计，最终开发出了具备行业领先水平的空调室外机产品。

2 主要研究内容和思路

本文在载荷识别充分全面的基础上，对传递路径上的主要结构进行模态分析和形貌优化分析，并形成规范化设计，具体如下：

首先，引入箱体模态分析方法，对单个钣金及整个箱体装配件进行模态测试和模态仿真计算，并进行仿真与试验的对比，校准CAE仿真模型，从而为新箱体开发提供方案评价与优化指引。

其次，分析现有箱体的设计缺陷，包括结构刚度及模态分布，为新产品开发提供方向和依据。

再次，结合箱体钣金的特点，对于关键的模态分布，引入CAE形貌优化手段，以结构刚度的最大化为优化目标，以低价固有频率规避激励频率为约束条件，在特定的设计区域内，综合考虑工艺性要求，进行钣金形貌的自动优化计算，从而得到方案优化指引。

最后，实际装机测试验证，通过钣金加筋设计与调整，在成本不再增加的前提下，大幅提升箱体的刚度。

3 技术方案及研究过程

3.1 箱体模态分析方法搭建

室外机箱体涉及外部面板件和内部支撑件，由顶板、前板、侧板及后板、底板、风扇支架、中隔板、左连杆等主要件构成，其连接使用了螺钉、卡扣、过盈配合几种方式。室外机作为平台性产品，内部搭载系统多变，而基于对激励源特性的解析，运用模态分析方法，进行结构模态设计与优化，是解决问题的有效途径。

为了确保仿真分析的准确性，在分析优化之初，同样进行试验模态校核。本项工作的思路是，首先对零部件进行自由模态校准，以获得准确的零部件有限元模型，并校正材料属性的设置；其次是进行箱体装配状态下的对比修正，以校正连接模拟，边界条件设置，最终使整机的模态仿真结果与试验测试结果达到吻合，从而可以在仿真层面完成方案的优化、设计及验证。

3.1.1 主要零部件的CAE校准

选用B&K模态测试系统，依次对顶板、前板等关键钣金件进行自由模态试验，测试中通过橡皮绳悬挂以模拟自由边界条件，同时选取合适的测试布点方案，移动力锤法进行频响测试，最后在Reflex软件中进行模态提取，得到各钣金件的测试结果；同时，依据各结构的三维UG模型，进行有限元网格划分，不断调整网格策略和材料参数，进行仿真完善。图1、图2列出部分结构的测试布点图以及部分仿真数据与测试数据的对比图，对比可以发现，经过修正，在结构振动能量最大的低频段，仿真与测试的结果达到了高度吻合：阵型完全对应，固有频率偏差大致在5%。

3.1.2 箱体整机的模态仿真

在零部件有限元模型完成后，为了模拟实际工作状态下的箱体，将各钣金件按照实际的连接方式进行装配，对螺钉连接的孔位施加除轴向旋转以外的约束，对钣金搭接位置用一定刚度的弹簧连接模拟，对卡扣位置进行共节点处理等，完成箱体整机的有限元分析模型搭建。与零部件的分析过程一样，同样对整机进行仿真与测试比对，测试方法和工具与零部件测试类似，但整机进行的是约束模态测试，因为实际样机是固定在安装座上的，测试也必须选用同样的方式进行。

图1 前板及侧板的测试布点(左：前板，右：侧板)

图2 前板及侧板的仿真与测试对比(左：前板，右：侧板)

图3 箱体模态测试布点

通过不断进行参数调试，最终使二者结果基本吻合，达到工程使用的精度，得到了满足分析要求的整机模型。图3、图4和图5列出了整机模态测试布点和仿真模型图，以及仿真测试结果比对图。

图4 箱体仿真模型

图5 箱体仿真与测试结果比对

图6 刚度分析加载位置

3.2 刚度分析与模态分析

3.2.1 原箱体的刚度分析

依据相关标准规范，刚度分析选取了190kg力，施加在被测钣金的直径为30mm的圆形区域，计算其最大位移量。根据结构特点，顶板分左、中、右三个加载工况，前板分上、中两个加载工况，侧板取中间位置加载工况分别进行计算，如图6所示。

经计算，三钣金件的变形云图如图7所示。

图7 原箱体形变云图

这里在作分析时，假定钣金件材料一直处于弹性范围内，即只考虑弹性变形，实际可能会产生塑性变形等非线性情况，因此结果仅用于定性对比。

从钣金的变形图上看，形变区域集中在加载区域附近很小的范围内，这显示了局部变形过大，整体刚度较差，可以看出，顶板两侧及前板的刚度相对较低，新箱体方案将着重优化此部分。

3.2.2 原箱体的模态分析

从模态分析的角度看，优化设计的原则是使箱体低阶固有频率尽量远离激励源频率，具体来说，就是使第一阶非刚体模态固有频率在25Hz以上，低阶固有频率避开48Hz(50Hz电源机型)、57Hz(60Hz电源机型)、44Hz(风机转频)及其倍频、3倍频等频率点，同时，对于变频机型，要求其100Hz内模态尽量少。

运用前述整机有限元建模思路，就可以研究分析现有箱体的模态分布情况，并以此拟定新箱体优化设计方向，根据现有箱体的UG三维模型，导入有限元分析软件，设定好边界条件，提取的部分模态固有频率如表1及图8所示。

表1 原箱体部分固有频率

图8 原箱体前八阶模态阵型

分析结果反映出两个问题：

(1)原箱体的低阶固有频率很低，前板第一阶固有频率为34.2Hz，而且低频段结构固有频率密集，前八阶模态均分布在85Hz以下，整体刚性偏低；

(2)对于定频机，箱体存在第4阶、第8阶两阶模态共振的风险，而对于变频机，因为低频段的模态较多，箱体规避共振点的难度较大。

基于上述分析，对新箱体开发优化的方向，主要从提升钣金刚度，提升结构固有频率，规避共振这几方面进行。

3.3 形貌优化与验证

3.3.1 基于形貌优化的新箱体开发

结合上部分对现有箱体的分析结果，分顶板、前板、侧板及后板进行针对性的形貌优化，以结构刚度的最大化为优化目标，以低价固有频率规避激励频率为约束条件，选取各面板的平板区域为设计区间，考虑冲压等相关工艺的可实现性，对各大面板件依次进行形貌优化。

新箱体开发过程中，基于有限元仿真的形貌优化，快速获得了改善思路，钣金及各零部件的设计以此为基础展开，综合考虑外观、加工工艺、系列化及成本等方面因素，反复手板试制与改进后，形成最终的结构形式如图9所示。

图9 基于形貌优化的箱体结构改进设计

通过合理的优化设计，实现了面板刚度的提升，因此同样的刚度需求下，可以适当降低钣金件的厚度，新箱体除了外观的改变，还对部分钣金件进行了减薄优化，定型后的各结构厚度如表2所示。

表2 新旧箱体钣金厚度对比(单位：mm)

3.3.2 新箱体改善效果验证

在原箱体的分析及新箱体优化过程中，已经完善了数值仿真模型，因而可以进行虚拟样机的效果验证，包括新箱体刚度验证和模态验证。

3.3.2.1 刚度验证

使用前述有限元模型，并对其进行与原箱体的参数设置和加载方式，对新结构方案依次进行刚度分析，得到的计算结果如图10所示。

表3 新旧箱体刚度提升对比

图10 新箱体形变云图

从变形云图上看，在同样的加载情况下，新箱体形变区域更大，即之前的局部形变转换为更大区域的整体形变，这将降低最大变形量，意味着整体刚度增强，提取计算结果，得到与原箱体相应的对比数据如表3所示：

对比可知，通过加筋结构设计与优化，新箱体钣金刚度有明显的提升，提升幅度最高达2倍以上，其中前板、顶板左右侧刚度提升明显，与我们的预期目标一致。

3.3.2.2 模态验证

按照原箱体分析的思路和设置，进行新箱体仿真建模，新箱体整体单元数量202421个，其中体单元数量8452个，同样对地脚螺栓位置施加约束，最终计算得到200Hz以内的模态结果如图11所示。

图11 新箱体前八阶模态阵型

对比原箱体的分析结果，新箱体低阶固有频率有了大幅提升，以各钣金的第一阶模态为例，顶板固有频率提升14%，前板第一阶局部模态，固有频率由原来的60.8Hz，提升至104.6Hz，提升幅度达72%，即通过加筋设计，改善了钣金件的刚度；另外，对定频机而言，侧板一阶固频57.3Hz与激励频率58Hz(60Hz电源)接近，而观察此阶阵型，其固有频率与电器盒的支撑有关，仿真中不可避免的作了简化，实际效果应以振动测试为准。其他固有频率基本避开了激励源频率，结构共振可能性较小，而对于变频机，压缩机基频(60Hz)以下的固有频率仅有两个，也比较容易规避共振。所以，从模态角度来判断，新箱体方案实现了优化。

3.3.2.3 空调装机实测

新箱体通过模态设计与形貌优化，实现了结构的合理设计，经过多轮的手板机验证和正式样机的对比测试，已经确定了新箱体在振动噪声方面的优势，经过优化设计的新箱体，在成本降低5%的基础上，整机振动小于原箱体，最大降幅达37%。整机噪声降低约2～3dB。现新箱体方案已经推向产品应用。下面以某测试机型为例，在其他系统件完全一致，工况相同的情况下，对比了新旧箱体的振动噪声表现如表4所示。

表4 室外箱体振动噪声测试数据

4 结论

本文通过对室外机模态仿真与试验进行的专项对比研究，分步骤完成空调关键零部件，以及整机层级的有限元仿真校准，通过对仿真参数的反复调试，使数值计算的结果与实测结果的偏差稳定在5%左右的范围内，保证了仿真优化结果的准确可靠。鉴于室外机箱体大部分为钣金结构，对其进行动力学方面优化的合理策略是改变钣金形貌，为了快速准确的得到优化方向，本文借助CAE工具，引入形貌优化分析方法，即在板型结构中寻找最优的加强筋分布，以刚度最大化为目标，以规避各阶共振点为约束条件，完成了结构优化，进而以此为指导，得到了新箱体的具体结构形式。

测试结果表明，经过优化设计的新箱体，在成本降低5%的基础上，钣金刚度提升幅度最高达2倍以上，整机振动小于原箱体，最大降幅达37%，整机噪声降低约2～3dB。

参考文献：

[1] 傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

[2] 傅永华.有限元分析基础[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[3] 杨剑，张璞，陈火红.新编MD Nastran有限元实例教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4] GB/T 7725-2004 房间空气调节器[S]．