空调器室外机安装架力学强度的仿真分析研究

郑小郴

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

对于空调产品的研究大部分都在于整机性能及功能上的开发研究。对于辅料及一些配件成为各研究人员不想涉及的领域。然而，只有从小至大、从配件至整机等全方位的周全思考，严密评估，才能开发出可靠的、实用的、符合大众需求的产品。2021年董泽华针对空调室外机支架安全现状，从腐蚀、支架力矩、强度等多方面，并结合GB 17790《家用和类似用途空调器安装规范》、GB/T 10125《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》以及GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》的相关要求；进行受力及性能的分析，并总结出相关结论以提高支架的安全性。结合其他人员的科研结果，目前对于支撑架的研究存在两个缺陷，其一是忽略空调室外机因压缩机导致左右两边重力差异大，其次是对于仿真及实验验证结合的缺失。当前，一些海外地区物资匮乏，客户需要我司提供空调外机安装支架，作为配件采购。由于目前采购的安装架（出口海外）为零星采购物料，成本略高且不受控，因此，我司出口下单自制1P、2P、3P室外机安装架。为保证产品可靠性要求，在产品投模前，需进行承重试验，本文同时从理论方面，利用仿真的方法计算出各配合零件的应力分布云图，并进行强度校核，提供最优解决方案。

1 理论仿真计算

通过有限元仿真的方法模拟安装支架、螺栓、角钢的应力分布和变形云图。

1.1 确定各零件的材料参数如表1

表1 各零件的材料参数

1.2 有限元模型的建立

因安装支架主要支撑空调室外机，固可简化为静力模型。将空调室外机简化为重块放置于安装支架上，由于主要研究的对象为安装架、角铁、螺栓的受力情况，可将这几个零件的网格划分得较密，重块与墙壁的网格划分较粗，如图1所示。

图1 有限元模型

1.3 载荷、边界条件

载荷：将所有零件施加竖直向下的重力加速度载荷：

G=9 806 m/s2

边界条件：①固定墙壁 ；②设置面面接触对：对于没有相对滑移趋势的零件间设置绑定接触，如：安装支架与重物块、螺栓与角铁等；对于有相对滑移趋势的零件件设置不分离接触，如安装支架与角铁、角铁与墙壁。对非线性接触实体表面，也可使用罚函数方程：

式中：

F—有限的接触力；

K—接触刚度；

X—穿透量。

2 静力仿真实验

分别对1P、2P、3P壳体进行静力仿真计算:

[K]—一个常量矩阵，假设是线弹性材料行为，使用小变形理论；

{F}—静态加在模型上的，且不考虑随时间变化的力（不包含惯性影响）。

2.1 1 P壳体实验验证

根据任务单要求，1 P的壳体的最大承重为200 kg，相应的设置重块密度为7.64E-6 kg/mm3，刚好使模型重块的质量为200 kg。固定墙壁，设置重块、支架等竖直向下的重力加速度G，并设置各零件间接触对，进行静力学求解，如图3所示。

图2 受力示意图

图3 1 P壳体各零件变形云图

根据仿真计算的结果发现，最大的应力位置发生在最下面的方径螺栓的一个角上，为108.1 Mpa,支架的最大的应力为79.77 Mpa如图4，均小于各自的屈服极限，故1 P壳体各零件的强度足够，材料不会发生屈服变形。

图4 1 P壳体支架应力分布云图

2.2 2 P壳体实验验证

根据任务单要求，2P的壳体的最大承重为250 kg，相应的设置重块密度为8.65E-6 kg/mm3，刚好使模型重块的质量为250 kg。应力与变形分布情况仿真如图5、图6所示。

图5 2 P壳体各零件承重变形云图

图6 2 P壳体安装架承重应力云图

根据以上2 P壳体的仿真计算，发现应力分布情况，基本和1 P壳体一致，应力最大位置依然是方径螺栓的一个角处，为155 Mpa，安装支架和角钢的最大应力均较小，在屈服极限范围内。

2.3 3 P壳体实际验证

根据任务单要求，3 P的壳体的最大承重为300 kg，相应的设置重块密度为9.04E-6 kg/mm3，刚好使模型重块的质量为300 kg。应力与变形分布情况仿真如如图7、图8所示。

图7 3 P壳体各零件变形云图

图8 3 P壳体安装支架应力分布云图

可以观察到3 P壳体的承重为300 kg，而最大的应力为139.09反而小于2 P壳体的最大应力，是由于安装支架的宽度较宽和螺栓孔的位置分布间距较大所致，安装支架和螺栓的最大应力均在屈服极限范围内。

2.4 对比分析

以上3个壳体所仿真出的应力均在材料的屈服极限之内，较为安全，对于静力载荷，安全系数 =1.2～2.5。计算出的应力越小，安全系数越高，产品越可靠。由以上计算得到最大应力位置在方径螺栓上，为减小该最大应力，在不影响产品装配的情况下，增加方形部分长度，利用1 P壳体进行对比分析计算，如图9、图10所示。

图9 目前所采用方径螺栓

图10 加长方形部分长度

通过对比分析，目前所采用的方径螺栓受剪切的面积较小，所以螺栓容易被剪切破坏，增加了承受剪切的面积之后，应力有了较大的改善由108.1 Mpa降低到68.25 Mpa，且最大的应力位置由螺栓配合位置转移到支架与角钢接触的位置。

图12 支架间距239 mm

考虑两个安装支架的之间距离对应力的影响情况，通过如下应力云图，发现支架间距对应力的影响不大。

考虑实际室外机在安装时，有压缩机一边的重量会比另一边稍重，以1 P壳体为例调整重块在支架上摆放的位置，作对比分析。如图13、图14所示，最大应力从108.1 Mpa上升到127.08 Mpa，但是最大应力均在屈服极限之内。

图13 重块在中间位置

图14 重块右移50 mm

3 承重试验

3.1 零件收缩率

实验地点：试制分厂

实验时间：2013-1-31至2013-2-2

实验器材：安装支架、膨胀螺栓、角钢、方径螺栓、砝码、扳手等。

实验方法：模拟实际分体室外机的安装方式进行承重试验。

实验结果如下：1#、2#、3#安装架均无螺栓松脱、弯曲、开裂、错位；安装架无变形、开裂等现象，如图15所示。

图15 显示区域的浇口与显示区域距离

4 结论

同本文利用理论仿真和试验验证的方法，分析了三种壳体的安装支架等零件的应力分布情况，并进行了强度校核，三种支架都是安全的，但为了进一步提高产品的可靠性，在不影响装配的情况下，可适当加高方径螺栓的方形部分。目前市面上的支撑架存在多种不同的结构方式，本次文章只简述了当前对应的空调器及所搭配的外机支撑架。在实际的设计产品中，我们的设计应该于不拘一束，对不同的产品的搭配应该有细致、可靠的结构搭配；站在成本、工厂、消费者的角度去设计，做到日益改善，精益求精！