案例丨用PERA SIM Mechanical轻松搞定空调外机振动分析

摘要：本文基于PERA SIM Mechanical结构仿真软件建立了空调外机随机振动分析过程，从导入几何模型开始，到划分高质量壳网格、赋予不同的板厚和材料参数、施加PSD载荷模拟随机振动过程，以及设置零部件的接触关系并查看分析结果，实现了空调外机随机振动分析的全过程。

关键词：空调外机；随机振动；仿真

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空调的室外机又被称为主机，空调制冷（热）的四大部件（压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器）中前三件都在室外。由于空调器在出厂运输过程中要经过恶劣的颠簸运输环境，因此，对空调器压缩机及配管的可靠性提出了严苛的要求。小型空调器可在振动台上进行模拟运输环境的振动实验来验证其可靠性，但对于压缩机等核心部件及大型设备，由于振动台的限制，则无法通过实验进行可靠性验证。

目前，数字化虚拟实验是发现产品薄弱环节并进行优化设计的重要手段。工程中常用静力学分析方法来研究运输过程中颠振、转弯、刹车和启停过程中的载荷冲击，用随机振动分析方法来研究运输振动情况。

本文基于PERA SIM Mechanical结构仿真软件建立了空调外机随机振动分析过程，从导入几何模型开始，到划分高质量壳网格、赋予不同的板厚和材料、施加PSD载荷，以及接触对的创建和分析结果的查看，实现了空调外机随机振动分析的全过程。

本文研究对象为某空调外机，主要考察在PSD载荷下，空调外机板壳件的强度和变形。

空调外机顶盖板、前面板、侧面板的厚度为0.6mm，底板厚度为1mm，支座厚度为1.2mm。

4.1 模型建立及简化

直接导入分析的几何模型。分析时，仅保留空调外机的壳体部件，对于其他部件，可以通过添加质量点的方式来考虑。由于本文的目的是展示基于PERA SIM Mechanical进行空调外机随机振动分析的技术路线，因此并没有添加这些质量点。但在进行实际工程仿真计算时，则需要根据实际部件属性和连接关系进行添加。

分析的整体几何模型如下图所示：

图1  空调外机随机振动分析的几何模型

4.2 网格划分

由于空调外机模型为壳体，所以采用2D网格划分，网格尺寸设置为2mm。

网格初步划分后，利用网格质量工具对网格质量进行检查，并进一步优化网格质量较低的单元，使其满足计算要求。

图2  空调外机壳网格的质量检查和修复

优化后的网格模型如下图所示，其单元总数为363769，节点总数为367632。

图3  空调外机的网格

4.3 材料定义

外机壳体采用钢材的线弹性模型，杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m³。

4.4 截面定义

采用壳单元，根据不同的部位赋予对应的厚度和材料。

4.5 接触定义

空调外机模型中，顶盖板、前面板、侧面板、底板都是通过相应的卡扣和螺钉相连，底板和支座也是通过螺钉相连的。在进行随机振动分析时，需要将这些连接关系等效成线性连接。工程实际中，通常采用绑定接触来模拟。在PERA SIM Mechanical中，首先设置接触属性为绑定，然后选择相应的接触域，最后再建立接触对。在本次分析中，需要分别定义顶盖板与2个侧板及前面板、前面板与2个侧板、底板与2个侧板、底板与2个支座共9个接触对，如下图所示。

图4  外机壳体之间的接触定义

4.6 边界条件

本模型的边界条件为支座的底部固定。

4.7 PSD载荷施加

PSD载荷为Z向PSD重力加速度，具体曲线如下图所示。

图5  空调外机的PSD载荷

5.1 计算分析设置

采用随机振动分析，模态计算方法选择Lanczos，提取模态阶数为32阶。归一化方法选择Mass，扫频频率设定为线性扫频，最小频率0.01Hz，最大频率500Hz，间隔数50。加密结果设置为每阶存在模态加密数量4，频率扩展范围比例0.1。阻尼设置为全局阻尼比0.02。

5.2 PSD计算结果

在后处理模块加载并查看PSD计算结果。计算得到的PSD载荷下空调外机壳体变形云图如下图所示：

图6  PSD载荷下空调外机壳体1σ下的Z方向变形

从变形云图可以看到，顶盖上的Z方向变形较大，整体分布呈现中间大四边小，最大变形出现在顶盖的中心，其RMS值（即1σ值）为0.219mm，这主要是由于顶盖较薄，且支撑也相对较弱导致的。同时需要注意到，Z方向变形的最小值为0.104mm，并不为0，这是因为在PERA SIM Mechanical中，随机振动计算得到的变形值是绝对值，而不是相对值。

计算得到的PSD载荷下空调外机壳体等效应力云图如下图所示：

图7  PSD载荷下空调外机壳体1σ下的等效应力

本文用国产结构仿真软件PERA SIM Mechanical对简化的空调外机模型进行了随机振动分析，得到了外机在PSD载荷作用下的变形和应力的RMS值。PERA SIM Mechanical在计算空调外机随机振动的过程中，能完整地对模型的材料定义、网格划分、接触设置、分析求解和结果查看进行处理，流程完善，其强大的壳网格划分功能和网格质量控制功能，确保了计算结果的准确性。