船用循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

湯修平，許治晶，陳恩，郭建，湯繼保，王坤

（1-合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2-中船重工第七一一研究所，上海 201108）

0 引言

近幾十年來，制冷工業(yè)得到了飛速的發(fā)展，應(yīng)用于人類生活生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，尤其在機電工業(yè)和國防工業(yè)有著深入的應(yīng)用[1]。隨著這種飛速發(fā)展，制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能越來越復(fù)雜、功率越來越大，由此產(chǎn)生的振動噪音問題也越來越嚴重，嚴重制約了制冷系統(tǒng)舒適性和可靠性的提高[2-5]。在此大背景下，國內(nèi)外對制冷系統(tǒng)振動噪音的研究越來越多，也取得了一定的成果，目前運用的主流方法是通過Proe對制冷系統(tǒng)進行建模再利用ANSYS對模型進行模態(tài)應(yīng)力分析后對模型進行優(yōu)化，但是ANSYS三維建模能力太弱，同時對大型復(fù)雜的三維模型的分析也有著很大的欠缺，目前的解決方法是通過對制冷系統(tǒng)的大量簡化或者將制冷系統(tǒng)中各部件單獨進行分析，這樣會大大影響分析精度[6]。因此，本文直接用Proe進行制冷系統(tǒng)的三維建模，隨后利用自帶的有限元分析軟件Proe mechanica對模型進行模態(tài)分析，獲得制冷系統(tǒng)中框架、冷凝器、蒸發(fā)器、管路等關(guān)鍵部件在壓縮機和風(fēng)機振動下會產(chǎn)生的位移，并對其進行優(yōu)化[7]。

1 制冷系統(tǒng)模型及振動分析

1.1 制冷系統(tǒng)模型

1.2 制冷系統(tǒng)振動共振分析原理

2 制冷系統(tǒng)振動模態(tài)分析

2.1 框架結(jié)構(gòu)的分析

3 框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化后對模型進行靜力分析，得到表2變形量。優(yōu)化結(jié)束后，整體框架結(jié)構(gòu)的變形量明顯減少，框架變形量最大處約為0.19 mm左右，雖然在風(fēng)機密封底板上出現(xiàn)了0.24 mm的變形，由于此處并非承重結(jié)構(gòu)，因此可以忽略不計，優(yōu)化完成后基本可以滿足框架結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求，有效改善了框架系統(tǒng)的抗疲勞特性，緩解疲勞破壞。

表1 優(yōu)化后的變形量

表2 最終優(yōu)化后變形量

優(yōu)化后的前6階的固有頻率如圖5所示分別變?yōu)?0.02 Hz、23.78 Hz、26.70 Hz、30.17 Hz、38.31 Hz、44.45 Hz，最高頻率由61 Hz下降到44 Hz，均遠小于壓縮機的振動傳遞頻率，位于壓縮機共振范圍之外，在前6階固有頻率上并不會引起系統(tǒng)共振。在此情況下能夠基本滿足避免共振的要求，避免了框架結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，減小了整個制冷系統(tǒng)的損害力度。

圖5 優(yōu)化前后固有頻率對比圖

4 總結(jié)

本文利用Proe mechanical對現(xiàn)實設(shè)備中的復(fù)雜框架結(jié)構(gòu)中，受自身蒸發(fā)器、冷凝器、回?zé)崞?、風(fēng)機、壓縮機等的重力影響下的變形較大的部位進行了優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重新設(shè)計框架后，實際使用中證明，整個框架結(jié)構(gòu)的變形量顯著減小，消除了框架結(jié)構(gòu)早期失效特征，減少了對其他相關(guān)部件的損壞；同時減小了框架結(jié)構(gòu)的固有頻率，使其遠離壓縮機和風(fēng)機的傳遞振動，避免共振引起機械和結(jié)構(gòu)較大的變形和動應(yīng)力，同時將6階固有頻率下振動較為明顯的部位轉(zhuǎn)移到后期添加的增強件上，防止了整個通風(fēng)裝置的破壞性事故。