新型空调外机钣金设计与强度分析

潘 捷，赵 翔

（中国船舶电站设备有限公司，上海 200129）

0 引言

近年来，由于我国经济快速发展，带动了空调制造业的发展。2000年至今，空调制造业的规模、技术都有了长足的进步。现在，中国已经是世界上首屈一指的空调制造大国，销量和产量都排在世界第一梯队。伴随经济的快速发展，人们不仅仅对空调的需求量越来越大，且人们对空调的要求不再仅仅只是制冷，空调的噪声污染成为了人们衡量产品的重要指标。

空调由于内部结构复杂，振动所产生的噪声源有很多。空调外机的噪声源主要来自压缩机和风机，其中由风机带来的振动，是最主要的噪声源之一。当受到激励作用时，由金属薄板组成的空调外机壳体会产生较强烈的振动，对周围环境产生噪声。由于室外机一般是直接或者间接固定在墙壁上，所以产生的共振也是有可能会引起墙体的共振，可能产生较为严重的后果，如脱落或支架断裂等。

当前，空调的设计是向着美观和实用性设计，并且原材料价格的也是日益提升，空调外机的钣金件质量也相对更加轻量化，这会导致空调外机的整体以及局部的结构刚度的下降，从而使得其本身的钣金件结构振动所产生的噪声污染问题愈发严重，使得用户的日常使用深受影响。空调外机的壳体振动引起的噪音主要为低频率噪音，压缩机所产生的噪音和管路系统引起的噪音多为高频率。由于低频声波波长较长，辐射能力也相对来说较强，使得所产生的噪音更难以被障碍物阻挡，与压缩机和管路系统所产生的噪音相比较下是更容易被用户接收到。因此，低频薄板件的振动和噪声是本次设计主要研究方向。

1 基本概况

1.1 设计目的、意义及技术要求

本文为降低空调外机的噪音，主要通过更换另一种风机来达成其降低噪音的目的。

现在空调外机使用的风机，主要是轴流风机，即入风方向与出风方向一致，我们称之为“轴流式”，因为气体流动方向与风机轴流方向平行。结构比较简单，但对于数据的准确性要求较高。

本设计改进方向是将轴流式风机更换为Hillock风机（离心风机），将风向进行了改变，从空调外机两侧出风。Hillock风机的原理是动能向势能的转换，改变流体的方向。

因为空调外机的核心——风机的改变，空调外机的壳体钣金件和内部的管路也需要做出相应的改变以适应新的风机，即为空调外机做出新的壳体钣金件设计。

1.2 国内外发展概况及存在的问题

设计过程是一个综合性、创造性的劳动过程，包括整个设计的可行性分析、总体布置、结构设计、仿真分析。这些过程都存在对方案的优化问题，即结构性能优化设计。

对于空调室外机而言，可以分为压缩机、风机等的减振降噪。

1.2.1 压缩机的减振降噪

制冷压缩机是室外空调机的重要组成部分。从某种角度来说，制冷系统的制造设计研究就是如何将压缩机的功率体现发挥出来。因此，压缩机振动产生的噪声是室外机噪声的主要来源之一，在进行空调外机减振降噪的设计研究中也是主要的研究对象。张荣婷等结合理论与实际，分析周期性噪声产生的原因，提出了改善低频噪音的有效相应措施[1]。

1.2.2 风机的减振降噪

当前，国内外的研究人员都在研究改善空调外机的轴流风机产生的气流流动从而达到空调外机的减振降噪的目的。GUE等[2]用试验和数值模拟相结合，对冰箱风扇噪声进行了分析，得到了通过改变风机叶片结构，降低风扇噪声的设计方案。

1.2.3 配管的减振降噪

于翔麟等[3]通过对空调动态特性的研究，提出了相应改进措施，有效地改善并进一步降低空调的噪声。

1.3 应解决的主要问题

本文设计的主要目的是为了降低空调外机的噪音，主要是从振动入手，使用Hillock风机替换轴流风机。选定Hillock风机后，以Hillock风机、压缩机和蒸发器为核心建立外部壳体钣金件、风机支架和管路等部件。使用Creo建立空调外机模型，再使用ANSYS软件进行模态分析，得出空调外机的壳体应力应变分布情况，选取其中比较有代表性的阶态作为空调外机壳体的参考数据；最后，优化结构参数并修正厚度和薄板压型。主要的研究步骤为：

1）设计更换风机后的空调外机实体模型，围绕风机、压缩机、蒸发器使用Creo建立空调外机钣金件三维建模，并设计多种压型方案。

2）将空调外机钣金件的Creo建模模型导入ANSYS中，对空调外机壳体钣金件进行模态分析，研究应力应变分布情况并比较优化前后的应力应变。

3）得到ANSYS的模态分析结果后，再次针对空调外机钣金件的参数、压型等作出调整。

2 空调外机总体设计

根据设计，将轴流风机改为Hillock风机。Hillock风机原理是将动能转化为势能。通过先将气体加速，然后再减速并且改变气体流向，从而使动能转变为势能，其优点在于风量小风压都会很大，风机在工作时，产生的噪音远小于轴流式风机。特点把风管内介质的流向由轴向改为法相或其他方向。

2.1 设计原理

设计的原理是以Hillock风机、压缩机、蒸发器为核心，建立壳体钣金件。

空调外机的压缩机将吸入的低压制冷剂压缩成高压气体流入冷凝器，室外机的风机转动使通过冷凝器的空气带走其部分热量，使得高压气体在常温下凝结成高压液体。高压液体经过过滤器、节流阀后流入蒸发器，并在低压下蒸发，吸取周围的热量[4]。同时，横流风机使进入蒸发器翅片间的空气进行热交换，将制冷后的空气送入室内空调机组，达成制冷降温的目的。

2.2 Creo 建模

2.2.1 总体设计

因为本设计是以更换风机为新型设计概念。因此首先使用Creo建立Hillock风机模型，见图1和图2。Hillock风机是由背部进风，再由两侧出风的形式，见图3，和通常所用的家用空调所安装的位置并不相同。由于Hillock风机两侧出风，我们将其安装在空调外机整体偏后的位置，并在前面放置压缩机等，见图4。Hillock风机和压缩机位置选定后，我们再放置蒸发器（冷凝器），因为蒸发器通常放置在风机入风口前，所以我们选择将蒸发器放置在Hillock风机后面，即空调外机的背板上面，见图5和图6。

图1 Hillock 风机正面

图2 Hillock 风机背面

图3 Hillock 风机内部结构

图4 压缩机放置示意图

图5 蒸发器放置示意图1

图6 蒸发器放置示意图2

2.2.2 主要壳体钣金件模型设计

因为Hillock风机两侧出风，两侧不对称，所以两侧的出风栅格并非对称设计，依照Hillock风机出风口进行设计，如图7和图8所示。为了抗形变的强度以及美观化考虑，对前、顶进行压型设计，可设计多种压型方案（方形、回形、条形），以方便后续ANSYS进行变形分析，见图9～图14。

图7 左侧板出风栅格示意图

图8 右侧板出风栅格示意图

图9 前板方形压型设计

图10 前板回形压型设计

图11 前板条形设计

图12 顶盖方形压型设计

图13 顶盖回形压型设计

图14 顶盖条形压型设计

2.2.3 风机支架设计及最终模型

为防止风机在空调外机内部发生相对位置偏移，因此在风机上方，设计风机支架，将风机与蒸发器的位置进行固定，再将风机支架对顶盖支撑设计，见图15。最终装配模型见图16。

图15 风机支架建模

图16 总体设计（隐藏前板与顶盖）

2.3 ANSYS Workbench 分析

2.3.1 结构动力学分析

动力学分析是用来确定惯性和阻尼起重要作用时结构的动力学行为的技术，典型动力学行为如振动特性。

2.3.2 ANSYS Workbench 平台

ANSYS是ANSYS公司开发的基于有限元技术的cae软件。ANSYS Workbench软件由于其适应性，是当今世界上最流行的cae分析软件之一。ANSYS与市面上大部分的计算机画图建模软件，如Creo、AutoCAD等的数据都能很好的适配。ANSYS Workbench包含的模块功能很多，从动力学到流体力学，结构力学还有电磁都能很好的进行有限元分析，在众多领域都有着广泛的应用。

2.3.3 ANSYS 模态分析

该设计分析使用到的是ANSYSWorkbench中的Modal模块，材料选择铝合金。将在Creo建立的空调外机钣金件导入ANSYS中。

考虑到忽略非线性因素，本次分析将模型中各个组件所有接触类型定位为Bonded，即绑定接触，见图17。常用的网格有4种：六面体、四面体、棱柱和棱锥网格。本模型网格单元总数约为7万个，空调外机薄板件上多采用六面体网格，对于过渡较为复杂的采用四面体网格以及其他网格。两者之间的过渡部分自动生成棱锥或棱柱网格，见图18和图19。

图17 定义接触

图18 网格划分

图19 网格划分细节

对方形、回形、条形三种压型设计分别进行模态分析，模拟空调外机结构的前20阶结果，见图20～图23。

图20 方形压型模态数据

图21 回形压型模态数据

图22 条形压型模态数据

图23 压型模态条状图

模态分析所得结果中的位移值和变形趋势只是相对的，代表的是在某一阶态的振动量的相对值，而不是实际值。通常模型的固有频率大于试验结果。在高阶模态振型范围内，其规律性减弱，所以高阶模态求解的误差较大。提取前3阶模态的模态振型图，见图24～图32。

图24 方形第1 阶模态振型

图25 方形第2 阶模态振型

图26 方形第3 阶模态振型

图27 回形第1 阶模态振型

图28 回形第2 阶模态振型

图29 回形第3 阶模态振型

图30 条形第1 阶模态振型

图31 条形第2 阶模态振型

图32 条形第3 阶模态振型

根据经验，风机带动空调外机的振动频率约为48 Hz，所以我们再取结果在48 Hz附近的2阶频率，见图33～图38。以及倍数频率，方形压型第17阶，见图39。

图33 方形第5 阶模态振型

图34 方形第6 阶模态振型

图35 回形第5 阶模态振型

图36 回形第6 阶模态振型

图37 条形第4 阶模态振型

图38 条形第5 阶模态振型

图39 方形第17 阶模态振型

所取典型阶态频率相对应的应力位置及相对变形量，见表1。

从图24～图39及表1可以得出以下结论和分析：

表1 典型阶态频率与应变表

1）48 Hz附近的2阶频率，小于48 Hz频率产生的形变和应力多集中在侧板，尤其是集中在右侧板发生形变，大于48 Hz频率产生的形变和应力多集中在前板。

2）空调外机壳体的钣金件其他频率共振多集中于前板和顶盖，在96 Hz左右的共振激励下，系统钣金件的形变和应力均集中在前板。

从钣金件模态分析变形和应力分布，后续研究可从以下2个方面进行：

1）对钣金件的压型进行重新设计，以使空调外机的钣金件模态振型第5阶、6阶的固有频率更好的远离48 Hz，以避免左右侧板共振现象的产生，压型不宜做的过于简单。

2）壳体钣金件的厚度，由1 mm增加至1.2 mm～1.5 mm。

3 结论

随着人们生活水平的不断提高，空调外机的减振降噪研究一直是空调结构研究设计中关注的焦点，随着模拟技术有限元分析的不断发展，利用cae技术对空调外机的振动和形变进行预测成为了产前必须进行的工作。本次设计将轴流风机更换为Hillock风机（Hillock风机）的创新下，利用有限元软件ANSYS Workbench软件的模态分析能力，分析了空调运行过程中空调外机的钣金件振动和应力分布情况，本次设计研究工作主要为以下几个方面：

通过研究数据，为空调外机装配上Hillock风机，从而达成静音降噪的目的。以Hillock风机、压缩机、蒸发器为核心部件，重新设计空调外机的壳体钣金件，适配Hillock风机。使用Creo软件对空调外机进行三维建模。

使用ANSYS Workbench软件，导入Creo建立的三维模型，对空调外机的钣金件进行模态分析，空调外机的钣金件的模态分析结果显示：系统的第5阶和第6阶模态与空调外机工作频率较为接近，进而产生系统共振；钣金件的压型可以做的相对复杂一些会提高抗形变的强度。