基于ANSYS 17.0的风冷螺杆式冷水机组数值模拟

倪佩佩

(英格索兰亚太工程技术中心，江苏 太仓 215400)

0 引言

近年来，随着人们生活质量的不断改善，对舒适性的生活环境要求的不断提高，促进了空调产业的蓬勃发展，尤其是冷水机组在大型中央空调系统中的广泛应用[1]。由于风冷螺杆式冷水机组具有模块化、结构紧凑、安装简单、无需冷却塔、节水等优点，被广泛地应用于商场、宾馆、办公楼等公共建筑的舒适性中央空调系统[2]。

考虑到机组重量的不同以及需要经过长距离的运输才能到达客户指定的安装地点等情况，在运输的过程中会由于路面不平、卡车的急转弯、加速、刹车等产生的加速度载荷。为了满足风冷螺杆式机组在运输过程中结构的强度、刚度和稳定性，采用基于有限元分析法，对其结构进行静力学分析，以降低设计带来的结构风险。

1 结构设计

1.1 风冷螺杆式冷水机组工作原理

风冷螺杆式冷水机组的工作原理如图1所示。主要有压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等部件组成。其制冷工作过程如下：压缩机不断抽吸蒸发器中低温低压的制冷剂蒸汽，并将它压缩至冷凝压力变成高温高压的气体，经过冷凝器后制冷剂冷凝时发出的热量通过冷却介质(空气)带走；冷凝后的制冷剂液体通过膨胀阀后降压降温；制冷剂进入蒸发器吸热汽化变成过热蒸汽，然后进入压缩机进行下一次循环，从而实现制冷目的[3]。

图1 风冷螺杆式冷水机组的工作原理图

1.2 风冷螺杆式冷水机组整体设计

首先要对风冷螺杆式冷水机组有个整体的布局，明确总体尺寸长、宽、高的要求。风冷冷水机组主要分成两大部分：其中上部分主要是风机盘管，下部分主要是底盘、压缩机、蒸发器、油分离器、电控箱等零件。其次，对底盘上重要零部件的安装位置进行固定，避免零件之间相互干涉。除了重要零件的安装位置之外，还需要对整个系统进行管路设计，确保制冷剂在其回路中都能正常运行。图2为利用Creo建立的风冷螺杆式冷水机组三维实体模型。

图2 风冷螺杆式机组三维实体模型

2 模型分析

ANSYS Workbench 17.0通过采用协同仿真的新功能来快速地完成模型的分析，从而能够在降低产品设计成本的前提下显著加快新产品的研发与设计。图3为Workbench 17.0协同仿真的图解，其操作主要是通过简单的鼠标拖拽的方法，实现相同模型的接触和网格划分只需一步操作就能使数据之间相互交换，从而将整个仿真过程紧密地组合在一起。

图3 风冷机组Workbench协同仿真图解

2.1 简化模型

风冷螺杆式冷水机组是由压缩机、冷凝器、蒸发器、四通换向阀、油液分离器等部件所组成，当机组运输时需要足够的强度和刚度，以保证风冷螺杆式冷水机组在各种重力加速度方向上都能正常运行。为了对机组进行有限元分析，对模型中的倒角、小圆孔以及一些不必要的特征需要进行简化处理。图4为风冷螺杆式冷水机组在Workbench中的简化模型。

图4 风冷螺杆式冷水机组简化模型

2.2 网格划分

网格划分是有限元分析的关键步骤，网格数目的多少会对计算结果的精确性产生较大的影响。本文采用ANSYS Workbench中薄面扫掠的方法，共得到1 162 758个单元，1 237 644个节点。

2.3 载荷及约束

载荷的施加：由于风冷螺杆式冷水机组在运输过程中会受到3个方向上的载荷:分别为3gy、1gy+1gx以及1gy+1gz方向上的载荷。约束条件：底盘横梁固定约束。

3 计算结果及分析

当风冷螺杆式冷水机组运输时，由于路面不平及长时间的运输，整个机组受到的实际载荷是由1倍的重力加速度和2倍的交变载荷组成。因此通常选取y方向的3倍加速度载荷来计算等效应力值。图5为风冷螺杆式冷水机组以3gy的加速度运动工况下，整个机组机构的整体位移与等效应力求解结果。

图5 位移、应力云图

由图5可以看出风冷螺杆式冷水机组以3gy的加速度运动时，机组的最大位移出现在油分的支撑处，且最大位移为3.95mm。机组的最大等效应力产生于压缩机和蒸发器支撑的螺栓螺母处，最大等效应力为794.15MPa。

当运输卡车加速时会产生1gy+1gx的加速度载荷，此时机组的最大位移出现在风冷盘管处，机组的最大等效应力产生于风冷盘管和立柱的螺栓螺母连接处。而当运输卡车转弯时会产生1gy+1gz的加速度载荷，此时机组的最大位移出现在立柱处，机组的最大等效应力产生于立柱与斜撑的螺栓螺母连接处，具体数值如表1所示。由于最大等效应力产生于螺栓螺母的连接处，此处会导致应力集中的现象，通过校核螺栓螺母之间的最大正应力和剪切应力的值在标准范围之内，满足此情况下的运输要求。

表1 机组以1gy+1gx、1gy+1gz加速度的最大位移和等效应力

4 结语

本文通过Creo软件建立风冷螺杆式冷水机组的三维模型，并利用软件接口将模型导入到ANSYS Workbench 17.0中进行强度和刚度的校核。基于有限元软件对运输过程中的3gy、1gy+1gx以及1gy+1gz方向上的3种情况进行静力学分析，结果表明：风冷螺杆式冷水机组的结构设计满足运输过程的要求，能够达到客户预期的目标。