轻量化方舱空调机支架结构强度及模态分析*

杨 雷，夏 磊，吴 博，梁 琰

(1.南京天海通信有限公司，江苏 南京 210012；2.中央军委装备发展部军事代表局驻郑州地区军事代表室，河南 郑州 450000)

空调作为调节方舱内空气温度、湿度、流动速度和压力的主要设备，已经成为现代化方舱不可或缺的配置[1]。常见的方舱所用空调多为整体式空调，空调机固定在采用槽钢和角钢焊接的支架上，再通过铆接或者螺接安装在方舱外部前舱板上方。车辆在行进过程中空调机支架将承受各种复杂的载荷，因此空调机固定支架设计的优劣，是直接决定后续空调机正常工作的关键因素[2-3]。

在传统支架类结构件设计中，通常通过结构力学分析计算，计算精度难以保证且准确度不高，在设计中容易造成质量冗余或削弱。有限元分析方法的引入能够有效解决复杂结构的边界条件设置与受力加载问题，同时，分析支架模态频率范围，避免产生共振现象，从而得到较为可靠的支架结构单元[4]。

1 空调机支架有限元模型前处理

1.1 空调机支架结构设计及建模

本文所研究某型轻量化电子方舱，主要用于装载军事电子设备和人员，并提供所需要的工作条件和环境防护。该方舱所采用空调为整体式空调，安装在前舱板上部，空调外形尺寸(长×宽×高)为850 mm×460 mm×525 mm，质量为95 kg。为了在整舱经济性和技术先进性之间寻求最佳平衡点，实现方舱整体轻量化最高性价比，在综合分析技术指标的基础上，充分挖掘行业内外轻量化新技术、新材料、新工艺，充分运用创新性设计、可靠性设计。

在保证强度的基础上减轻支架重量，并合理地布置斜撑以保证刚度。空调机支架为框架式结构，外形尺寸(长×宽×高)为1 060 mm×640 mm×660 mm。支架各部位均采用L形型材通过螺栓紧固联接；空调安装底部受力部位设置2根纵撑，上部2根纵撑，保证空调满足车载安装的要求。该空调机支架的三维模型如图1所示，该空调机支架安装示意图如图2所示。空调底部通过螺栓与安装架固定，安装架通过铆钉与舱壁铆接固定，空调机与支架以及支架与舱板立面缝隙之间均设有隔震橡胶垫起缓冲减震作用。本文中所有L形型材均采用镁合金材料制作，整体质量较轻，为11.7 kg。

对比所有工程合金金属，镁合金的密度仅为铝合金的2/3，强度仅次于钛合金，刚度则为最高[5]。镁及镁合金在相同的载荷下比其他金属材料消耗更多的变形功，是阻尼性能最好的结构材料，有较好的隔振性能，可控制噪声和增强结构稳定性[6]。在弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金件大，具有良好的抗震减噪性能。在相同载荷下，减振性是铝的100倍，是钛合金的300～500倍[7-8]。

1.2 几何模型清理及网格划分

在本研究中主要对空调机支架进行有限元仿真，分析校核空调系统在垂向冲击、制动、加速及转弯工况安装连接结构强度，考察空调系统模态特性。将空调机支架三维模型导入HyperMesh软件后，经过抽取中面、几何清理后再进行网格划分。网格的疏密度和数量会对计算时长和计算精度产生影响，应根据承载特点和结构特征合理划分[9-10]。

在几何清理过程中去除紧固件几何特征，去除安装件的局部开孔特征，去除较小的面圆角、边圆角等过渡变化特征，改为直角特征。在进行网格划分时，分别将长宽比和翘曲角控制在5∶1和60°以内，雅克比率>0.8。根据不同部位的结构特征制定相应的网格划分方法，顶棚和型材抽取中面后采用shell单元quads4划分，空调与橡胶垫采用solid单元hex8划分，对于不规则部位则采用tria3和penta6过渡进行划分。单元大小空调以30为主，其余部分以5为主，最终所得到网格的节点数量为129 283，单元数量为123 300，有限元模型如图3所示。

1.3 参数及边界条件设置

该空调机支架材料的主要性能参数见表1。

表1 材料参数设置

通过静强度分析与模态分析评估空调机支架在行车工况下安装连接结构强度能否满足强度要求，以及能否满足振动动态特性要求[11]。在空调机支架与舱壁安装侧设置固定约束，并根据行车工况在质心处施加不同方向与不同数量级的载荷P，空调机支架约束及承载状态如图4所示。

2 空调机支架结构强度及模态分析

2.1 空调机支架结构强度分析

在静强度分析中主要考虑空调机支架在行车过程中遇到垂向冲击、加速、制动及转弯工况时对结构强度的影响，4种工况的载荷施加过程分别如图5a～图5d所示。

在垂向冲击工况中，沿-X向施加3.5g载荷；在加速工况中，沿-X向施加1g载荷，沿Y向施加1g载荷；在制动工况中，沿-X向施加1g载荷，沿-Y向施加1g载荷；在转弯工况中，沿-X向施加1g载荷，沿Z向施加1g载荷。

经OptiStruct运算后得到空调机支架在垂向冲击、加速、制动及转弯等工况下的应力分布云图分别如图6a～图6d所示。

经过观察得到如下结果。

1)垂向冲击工况下：空调机支架下纵梁支架最大应力σmax=184.5 MPa，大于镁合金型材材料屈服强度155 MPa，但这是由于数值奇异造成的，可不考虑；其他单元应力均小于6063铝管及镁合金型材材料屈服强度，支架强度满足要求。

2)制动工况下：空调机支架上纵梁支架最大应力σmax=58.8 MPa，均小于镁合金型材材料屈服强度，支架强度满足要求。

3)加速工况下，空调机支架下纵梁支架最大应力σmax=67.1 MPa，均小于镁合金型材材料屈服强度，支架强度满足要求。

4)转向工况下，空调机支架下纵梁支架最大应力σmax=38.0 MPa，均小于镁合金型材材料屈服强度，支架强度满足要求。

2.2 空调机支架模态分析

由方舱壁板及一般支架类安装件的振动特性分析可知，在车辆行进时，空调机支架有发生共振的可能，从而产生噪声甚至发生结构破坏，需要对空调机支架进行结构模态分析[12]。空调机支架约束模态频率见表2。

表2 空调机支架约束模态频率

空调机支架前两阶模态振型云图如图7所示。空调机支架约束模态第1阶模态频率为19.4 Hz，第2阶模态垂向振动频率为22.2 Hz，振型均为横向摆动和垂向摆动叠加后的复合振型。在本研究中主要分析垂向路面激励的影响，考虑结构固支及振动测试PSD谱幅值特性，尤其建议整体垂向摆动频率不低于25 Hz，支架振动模态特性不能满足要求。从模态振型云图中可以看出，该空调机支架在振动过程中振幅波动范围最大的部位均在纵撑处，该部位直接与空调机连接，是主要承载部位，在后续优化中可对此处结构强度进行加强。

2.3 空调机支架结构优化

根据约束模态分析的结果对空调机支架进行优化设计，该支架优化方案三维模型如图8所示。将支架4根纵撑由L形镁合金型材更换为矩形铝合金型材，一方面，通过改变型材结构能够提高纵撑的弯曲强度和扭转强度；另一方面，将镁合金材料转换为铝合金材料，能够提高材料的弹性模量和屈服强度，从而改变纵撑的固有模态频率。所更换矩形型材材料为6063铝合金，弹性模量为7.0×104MPa，屈服强度为170 MPa。

将空调机支架的优化模型重新导入HyperMesh中进行模态分析后，所得到的前5阶模态频率见表3。

表3 空调机支架优化方案约束模态频率

空调机支架优化方案前两阶模态振型云图如图9所示。空调机支架经过优化后约束模态第1阶模态频率为22.2 Hz，振型为横向振动。在本研究中主要分析垂向路面激励的影响，第2阶模态垂向振动频率为28.3 Hz，大于25 Hz，优化方案支架振动模态特性满足要求。

3 结语

本文建立了某型轻量化方舱空调机支架的三维模型，通过有限元软件HyperMesh对行车过程中遇到垂向冲击、加速、制动及转弯等工况时空调机支架的结构强度进行了数值模拟，并分析了该支架在约束状态下的模态频率。结果表明，在4种工况下，该空调机支架均能满足强度要求，但是振动模态特性不能满足要求。根据模态分析结果对空调机结构进行了优化设计，通过改变纵撑型材类型为矩形型材，材料改为6063铝合金，改变了纵撑的固有模态频率，强化了支架结构，最终使模态频率达到设计要求。