【ATC优秀论文2】基于 OptiStruct 烘干机管路的减振分析
本文摘要（由AI生成）：
本文主要研究了烘干机压机管路的减振问题。通过对现有管路进行模态测试，发现管路固有频率与压机激励频率接近，导致管路共振。通过修改有限元模型，对烘干机管路进行优化，避开共振频率，减小管路的振动，避免管路的断裂。对优化后的模型进行试验验证，管路振动明显降低，位移幅值降低72%，管路加速度幅值降低85%。研究结果可为压机管路的结构设计提供理论指导，能够节省产品的开发周期及降低管路的振动水平。
《基于 OptiStruct 烘干机管路的减振分析》
作者：能海强，国强，刘玉龙，梁泉
海尔家电产业集团
1/摘要
1/摘要
本文以某烘干机压机管路为研究对象，基于OptiStruct分析软件对压机管路进行有限元模态优化设计。通过测试软件对现有管路进行模态测试，通过对比修正有限元模型。通过有限元模拟及测试结果发现，管路模态与压机基频很近导致管路共振。通过修改有限元模型对烘干机管路进 行优化避开共振频率，减小管路的振动避免管路的断裂;对优化后的模型进行试验验证，管路振动明显降低位移幅值降低 72%，管路加速度幅值降低 85%。研究结果可为压机管路的结构设计提供 理论指导，能够节省产品的开发周期及降低管路的振动水平。
2/概述
2/概述
随着现在生活质量的提升,人们对家用电器的品质要求也越来越高，家用电器的振动噪音也越来越关注。对于家用电器企业来说，产品具有良好的低振动低噪音无疑对产品竞争力的提升有很大的帮助。
烘干机产品也不例外，烘干机的管路振动与家用空调管路振动等类似。管路的振动主要来源于压缩机，而管路系统是传播压缩机振动的主要途径[1]; 单国伟等建立空调管路有限元的计算模型，分析管路的振动模态特性通过更改结构避开固有频率[2]; 韩志炜等通过仿真计算设计新型管路使管路模态避开压机激励[3]; 薛伟飞等通过实验验证了仿真结果的可靠性，验证了配管理论的正确性[4]; 张宁波等通过仿真手段对比分析了阻尼和管路结构对系统固有频率的影响，通过改变固有频率来避开管路共振[5]。
如果管路设计不当，管路系统的固有频率可能接近压缩机内部激振力的基频或倍频频率，造成空调管路系统产生共振现象。本文以某烘干机压机管路为研究对象，从振动测试及管路仿真入手找到管路断裂的首要原因，利用有限元仿真手段对管路模型进行仿真优化，设计新型管路使管路模态避开压机激励，防止管路共振。
3/模态分析基本理论
3/模态分析基本理论
模态分析定义为:将线性时不变系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，坐标变换的变换矩阵为振型矩阵，其每列即为各阶振型。
物理坐标下的物体振动微分方程如式(1)。式中: M、C、K 均为 n×n 矩阵;M 为质量矩阵;C 为阻尼矩阵，K为刚度矩阵。式（1）模态坐标下的特征方程如式（4）。
任意 l 点的响应为各阶模态响应的线性组合。
第 r 阶振型（模态向量）：
振型矩阵（模态矩阵）：
模态坐标：
将式（7）、式（8）、式（9）代入式（4）有：
当 F(w)=0，且无阻尼时有:
式(11)的解即为系统的全部模态。
4/仿真与实验模态
对标分析
4/仿真与实验模态
对标分析
本文以某烘干机管路的振动进行研究，对于该烘干机管路而言主要的激励源是压缩机，压缩机的激励主要为压机的转动激励，该激励会引起压机管路的振动。当激振频率与压机管路的固有频率一致时会引起管路共振，导致管路振动幅值增大造成管路断裂。本文中压缩机采用定频压机，当压机转速为 3000rpm，其激振频率为f。
经过烘干机管路测试发现，当不盖蒸发器盖时压机排气管振动不明显，当盖上蒸发器盖时压机排气管振动比较明显，管路发生共振。通过分析可知，蒸发器盖改变了管路的边界条件即改变了管路的刚度矩阵，进而改变了管路的固有频率。
本文基于测试系统对压机管路进行模态测试，如图1所示为压机管路测试图，采用锤击法测管路传函。
图 1 压机管路振动测试图
（a）不盖蒸发器的管路 （b）盖上蒸发器的管路
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如图 2 所示为不盖蒸发器盖的压机管路测试及仿真结果: 其中（a）为管路传函测试结果，(b)为管路仿真测试结果;由图（a）和（b）可知仿真结果与测试结果一致，验证了仿真模型的准确性。图 3 所示为盖蒸发器盖的压机管路测试及仿真结果:其中（a）为管路传函测试结果。（b）为管路仿真测试结果；由图（a）和（b）可知仿真结果与测试结果一致，进一步验证了仿真模型的准确性。
图 2 不盖蒸发器盖压机管路测试及仿真结果
(a) 管路传函测试结果
(b) 管路模态仿真结果
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图3 盖蒸发器盖的压机管路测试及仿真结果
(a) 压机管路测试结果
(b) 压机管路仿真结果
表1为测试与仿真模态对比表格，仿真与试验测试的结果吻合得很好，固有频率的误差控制在5%以内，由此可见，仿真模型对结构设计与优化具有指导意义。该烘干机正常情况下盖蒸发器，有表可知盖蒸发器后管路的第二阶固有频率增高，并且固有频率接近压机旋转频率，导致管路共振；通过仿真及测试发现不盖蒸发器盖时管路固有频率避开了压机激励频率，管路振动不明显；当盖上蒸发器盖时管路固有频率与压机激励一致导致管路共振，与现场管路振动现象吻合。进一步验证了压机管路仿真模型的可靠性。
表 1 测试与仿真模态对比
5/模态优化仿真分析
5/模态优化仿真分析
由前期的测试结果可知干衣机管路断裂主要是由于管路共振导致的，即当压机激励与管路的固有频率一致时产生共振导致管路振动增大发生断裂。因此需要通过管路的模态仿真平台搭建，对管路走向进行优化使管路固有频率避开压机激励，避免管路共振引起的管路断裂。本文采用 HyperMesh 建立管路有限元模型，采用 OptiStruct 进行模态仿真，通过前期实验及仿真对标确定管路边界条件以及泡棉的弹性模量。
如 图 3 所示为仿真模型:
其中(a)为原始管路仿真模型，(b)为优化管路仿真模型。
（a）原始仿真模型
（b）管路优化模型
通过 OptiStruct 模块进行仿真求解得到优化后的固有频率，如图4所示为优化管路后的模型及振型，如图所示在41.Hz和75.2Hz 都存在管路模态，管路模态避开了50±5Hz 压机激励导致的管路共振带，因此该优化管路能够避免管路共振解决管路断裂问题。
图4 优化管路的模型及振态
6/实验验证
6/实验验证
由前期测试和仿真得知，烘干机管路共振是导致管路断裂的原因，因此避开管路共振需要对管路模态进展优化使其避开压机激励频率。为了使管路模态能够避开激励频率消除管路共振避免管路断裂，本文主要从调整管路走向调整结构刚度，进而调整管路模态使其避开压机激励，提出管路改进方案如图 3 所示。 图 5 为管路优化前后振动幅值对比: 其中(a)为原始管路振动幅值，(b)为优化后管路的振动幅值。
图5 管路优化前后振动幅值对比
幅值为0.47mm，优化后管路的振动位移幅值为 0.13mm;通过对比可知优化后的管路振动明显降低，振动位移幅值降低72%。通过数据对比可知，优化后的管路固有频率避开了压机的工作频率，避免了管路共振明显降低了管路的振动幅值。
图 6 为原始管路和优化管路的加速度测试对比，由图可知，原始管路的振动加速度幅值为2.75g，优化后管路的振动加速度幅值为0.41g，优化后管路的振动明显小于原始管路的振动，振动加速度幅值降低85%。再一次证明优化后的管路能够避开压机的激振频率，能够避免管路共振减小管路的振动，避免管路因为共振导致的管路断裂问题。
图 6 原始管路和优化管路的加速度测试对比
7/结论
7/结论
本文以某烘干机压机管路断裂为研究对象，基于OptiStruct分析软件，对压机管路进行有限元模态分析。并通过测试软件对现有管路进行模态测试，通过对比修正有限元模型。现有机器管路在运行时振动很大导致断管，通过有限元模拟及测试结果发现，当不盖蒸发器盖时管路固有频率避开了压机激励频率，管路振动不明显;当盖上蒸发器盖时管路固有频率与压机激励一致导致管路共振，与现场管路振动现象吻合。通过修改有限元模型的仿真手段对烘干机管路进行优化避开共振频率，减小管路的振动避免管路的断裂，对优化后的模型进行试验验证，管路振动明显降低位移幅值降低 72%，管路加速度幅值降低 85%。研究结果可为压机管路的结构设计提供理论指导，能够节省产品的开发周期及降低管路的振动水平。
