基于ANSYS 17.0的風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組數(shù)值模擬

倪佩佩

(英格索蘭亞太工程技術(shù)中心，江蘇 太倉(cāng) 215400)

0 引言

近年來(lái)，隨著人們生活質(zhì)量的不斷改善，對(duì)舒適性的生活環(huán)境要求的不斷提高，促進(jìn)了空調(diào)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，尤其是冷水機(jī)組在大型中央空調(diào)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用[1]。由于風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單、無(wú)需冷卻塔、節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于商場(chǎng)、賓館、辦公樓等公共建筑的舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)[2]。

考慮到機(jī)組重量的不同以及需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的運(yùn)輸才能到達(dá)客戶指定的安裝地點(diǎn)等情況，在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)由于路面不平、卡車(chē)的急轉(zhuǎn)彎、加速、剎車(chē)等產(chǎn)生的加速度載荷。為了滿足風(fēng)冷螺桿式機(jī)組在運(yùn)輸過(guò)程中結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，采用基于有限元分析法，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，以降低設(shè)計(jì)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組工作原理

風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組的工作原理如圖1所示。主要有壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥等部件組成。其制冷工作過(guò)程如下：壓縮機(jī)不斷抽吸蒸發(fā)器中低溫低壓的制冷劑蒸汽，并將它壓縮至冷凝壓力變成高溫高壓的氣體，經(jīng)過(guò)冷凝器后制冷劑冷凝時(shí)發(fā)出的熱量通過(guò)冷卻介質(zhì)(空氣)帶走；冷凝后的制冷劑液體通過(guò)膨脹閥后降壓降溫；制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化變成過(guò)熱蒸汽，然后進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行下一次循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)制冷目的[3]。

圖1 風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組的工作原理圖

1.2 風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組整體設(shè)計(jì)

首先要對(duì)風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組有個(gè)整體的布局，明確總體尺寸長(zhǎng)、寬、高的要求。風(fēng)冷冷水機(jī)組主要分成兩大部分：其中上部分主要是風(fēng)機(jī)盤(pán)管，下部分主要是底盤(pán)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、油分離器、電控箱等零件。其次，對(duì)底盤(pán)上重要零部件的安裝位置進(jìn)行固定，避免零件之間相互干涉。除了重要零件的安裝位置之外，還需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管路設(shè)計(jì)，確保制冷劑在其回路中都能正常運(yùn)行。圖2為利用Creo建立的風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組三維實(shí)體模型。

圖2 風(fēng)冷螺桿式機(jī)組三維實(shí)體模型

2 模型分析

ANSYS Workbench 17.0通過(guò)采用協(xié)同仿真的新功能來(lái)快速地完成模型的分析，從而能夠在降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本的前提下顯著加快新產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)。圖3為Workbench 17.0協(xié)同仿真的圖解，其操作主要是通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)拖拽的方法，實(shí)現(xiàn)相同模型的接觸和網(wǎng)格劃分只需一步操作就能使數(shù)據(jù)之間相互交換，從而將整個(gè)仿真過(guò)程緊密地組合在一起。

圖3 風(fēng)冷機(jī)組Workbench協(xié)同仿真圖解

2.1 簡(jiǎn)化模型

風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組是由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、四通換向閥、油液分離器等部件所組成，當(dāng)機(jī)組運(yùn)輸時(shí)需要足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組在各種重力加速度方向上都能正常運(yùn)行。為了對(duì)機(jī)組進(jìn)行有限元分析，對(duì)模型中的倒角、小圓孔以及一些不必要的特征需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。圖4為風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組在Workbench中的簡(jiǎn)化模型。

圖4 風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組簡(jiǎn)化模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格數(shù)目的多少會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確性產(chǎn)生較大的影響。本文采用ANSYS Workbench中薄面掃掠的方法，共得到1 162 758個(gè)單元，1 237 644個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 載荷及約束

載荷的施加：由于風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)受到3個(gè)方向上的載荷:分別為3gy、1gy+1gx以及1gy+1gz方向上的載荷。約束條件：底盤(pán)橫梁固定約束。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

當(dāng)風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組運(yùn)輸時(shí)，由于路面不平及長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸，整個(gè)機(jī)組受到的實(shí)際載荷是由1倍的重力加速度和2倍的交變載荷組成。因此通常選取y方向的3倍加速度載荷來(lái)計(jì)算等效應(yīng)力值。圖5為風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組以3gy的加速度運(yùn)動(dòng)工況下，整個(gè)機(jī)組機(jī)構(gòu)的整體位移與等效應(yīng)力求解結(jié)果。

圖5 位移、應(yīng)力云圖

由圖5可以看出風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組以3gy的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)組的最大位移出現(xiàn)在油分的支撐處，且最大位移為3.95mm。機(jī)組的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生于壓縮機(jī)和蒸發(fā)器支撐的螺栓螺母處，最大等效應(yīng)力為794.15MPa。

當(dāng)運(yùn)輸卡車(chē)加速時(shí)會(huì)產(chǎn)生1gy+1gx的加速度載荷，此時(shí)機(jī)組的最大位移出現(xiàn)在風(fēng)冷盤(pán)管處，機(jī)組的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生于風(fēng)冷盤(pán)管和立柱的螺栓螺母連接處。而當(dāng)運(yùn)輸卡車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生1gy+1gz的加速度載荷，此時(shí)機(jī)組的最大位移出現(xiàn)在立柱處，機(jī)組的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生于立柱與斜撐的螺栓螺母連接處，具體數(shù)值如表1所示。由于最大等效應(yīng)力產(chǎn)生于螺栓螺母的連接處，此處會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中的現(xiàn)象，通過(guò)校核螺栓螺母之間的最大正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的值在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，滿足此情況下的運(yùn)輸要求。

表1 機(jī)組以1gy+1gx、1gy+1gz加速度的最大位移和等效應(yīng)力

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Creo軟件建立風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組的三維模型，并利用軟件接口將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 17.0中進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核。基于有限元軟件對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中的3gy、1gy+1gx以及1gy+1gz方向上的3種情況進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明：風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足運(yùn)輸過(guò)程的要求，能夠達(dá)到客戶預(yù)期的目標(biāo)。