基于运输工况的空调外机顶盖结构优化

欧均兰周军

(1.河源理工学校 广东河源 517000；2.珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070)

基于运输工况的空调外机顶盖结构优化

欧均兰1周军2

(1.河源理工学校 广东河源 517000；2.珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070)

文中对空调在流通运输过程中的部件变形和损坏进行了原因分析；并进行了有效的外机随机振动的CAE分析和评估，确定了外机顶盖的结构优化方案；结合随机振动和践踏的振动性能要求，分析了顶盖的刚度贡献分布，同时对顶盖进行了形貌优化，大大提高了顶盖刚度性能。

随机振动；PSD；形貌优化；刚度贡献

空调产品在流通运输过程中，由于产品搬运中的多层堆码和人工践踏等现象，常常会造成空调产品的部件和外表损害。另外，受运输工具自身振动和外界流通环境影响而引起产品振动，导致产品表面擦伤或漆脱落、部件变形、断裂等损坏。特别是外界激励力与产品部件固频一致或接近时，引起共振现象导致产品损坏甚至失效，严重影响空调质量品质和市场竞争力。

空调外机顶盖是保证空调产品部件在搬运中受多层对码和人工践踏等作用而不被损坏的最后一道防线，也是最主要的保护层。外机顶盖的合理设计，可以大大减少空调产品在流通运输中的破坏。本文根据空调在流通运输中常见的变形和损坏问题，进行原因分析，从而寻求其有效的外机顶盖优化方案。针对分析原因，根据一定的优化理论，结合CAE分析和优化方法，对空调部件进行相应优化，给出有效的优化方案和解决思路，保障产品运输的可靠性。

1 顶盖结构静刚度

空调外机结构中，顶盖下面是的风机系统、冷凝器和电器盒部件等重要部件，顶盖设计不合理会直接导致这些部件的变形和损坏，甚至失效。空调产品在流通运输中的振动和损坏评估，在设计阶段通常通过人工践踏实验和随机振动试验进行。图1为空调产品在模拟搬运过程中的多工况人工践踏实验时，造成的空调部件破坏，其中左图为经过多工况践踏实验后，风机系统发生塑性变形，导致风叶离导流圈过近，这会引起风机系统高速运转时产生异常噪声，甚至发生与导流圈的碰响情况，存在安全隐患；右图为经过多工况践踏实验后，冷凝器翅片发生的塑性变形，严重影响换热效率，从而降低空调制冷和制热性能。

图1 产品践踏实验的破坏

图2 PSD曲线

图3 顶盖1σ应力云图

顶盖在践踏静态作用下产生较大的变形，直接作用在风机系统、冷凝器和电器盒部件等重要部件上，造成它们相应塑性变形和损坏，这主要是由于外机顶盖静刚度不足造成。为了改善空调部件变形和损坏情况，需提高顶盖的静刚度，保证顶盖有足够的抵抗变形的能力。

2 整机随机振动分析

图4 顶盖某单元PSD响应及对应振型

空调产品在流通运输过程中，除了受产品堆码和人为践踏等作用外，同时也受到运输工具自身振动和外界流通环境等激励力。当外界激励力与产品部件固频一致或接近时，极易引起共振现象导致产品损坏，甚至失效。由于外界激励力的多样性和影响因素的随机性，产品运输属于复合的随机振动情况，通常用功率谱(PSD)曲线描述。随机振动分析是建立在对结构进行模态分析所得到的结构振型和固有频率基础上，根据特定的功率谱密度求解出结构在随机激励下的位移和应力等响应。本文将对空调整机进行随机振动分析，获取外机部件相应载荷谱下的加速度响应，并对顶盖单元进行PSD功率谱计算，评估外机顶盖抗随机振动性能和动刚度性能。

2.1 功率谱密度

图5 原机顶盖模态

表1 优化方案对比

产品在公路运输过程中，其振动与路面状况，行驶速度、车辆减振性能和载重等因素密切相关，其中受公路路面的起伏和不平度影响最大。研究表明，公路运输中随机振动加速度功率谱密度在垂直方向最大，横向次之，纵向最小[1]。我国公路随机振动功率谱密度曲线是卡车不同负载条件下，以匀速50km/h的速度行驶在沥青柏油公路上时采集的垂直振动强度曲线。国标GB/ T 4875.23-2003列举的美国随机振动功率谱密度曲线显示，低频区公路运输的振动加速度谱密度最大，而空运时的振动在高频表现非常强烈，铁路运输在全频率段无差别并且振动都较小。本文参照国标GB/T 4875.23-2003公路谱曲线，选择低高频都更严厉的加速度功率谱密度标准，具体如图2所示。

2.2 PSD谱分析

图6 长度方向优化

图7 宽度方向优化

图8 较密起肋分布

图9 最密起肋分布

建立空调整机有限元模型，根据上述PSD曲线，对空调整机进行随机振动分析。外机顶盖随机振动分析的1σ应力分布云图如图3所示，3σ应力也非常小，远低于材料强度极限，即随机振动中材料所受的最大应力大于3σ应力值的概率为0.3%，外机顶盖强度性能足够，无寿命问题。然而分析显示，外机顶盖在随机振动中，存在密集的竖直方向的模态，极易被激起振动，引起相关的振动和变形问题。

2.3 PSD功率谱计算

为深入研究外机顶盖在随机振动中动力学特性，选择关注顶盖单元进行PSD功率谱计算。顶盖单元PSD功率谱计算结果如图4所示，激励频率29.6Hz时，顶盖振动最大，对应为顶盖竖直方向振型，顶盖动刚度性能较差。公路运输中低频区振动能量最大，非常容易引起产品部件的共振，从而导致相应的振动和变形问题。因此，有必要对顶盖进行刚度性能优化，提高其刚度性能，减少相应振动或共振带来的损坏发生。

3 顶盖形貌优化

根据PSD分析显示，顶盖在随机振动中，易被激起振动，并引起其他部件振动。同时，在空调产品践踏和堆码试验中，顶盖是风机系统、冷凝器和电器等部件的直接保护，是最关键环节，也是较薄弱环节。故提高外机顶盖刚度，增强对风机系统，冷凝器和电器盒等部件保护十分必要。形貌优化是板形结构中寻找最优的肋分布的概念设计方法，非常适用于钣金型材的设计和优化，来提高结构刚度[2]。

3.1 刚度贡献率

原机顶盖模态如图5所示，第一阶弯曲模态固频为27Hz，基于密度法对顶盖进行自由肋的形貌优化，以刚度性能最大为目标，优化结果如图5所示。红色区域为顶盖刚性贡献率最大区域，且主要加强肋沿宽度方向分布。

3.2 加肋方向设计

沿顶盖长度和宽度方向分别进行加肋优化，优化结果如图6和图7所示，长度方向分布加强肋固频可提升至33.3Hz，宽度方向分布加强肋固频可提升至41.3Hz，故为提高顶盖刚度性能，优先选用宽度方向起肋。

3.3 加肋疏密设计

为研究加强肋分布疏密对顶盖刚度性能的影响，沿顶盖宽度方向分别进行不同疏密程度的加肋优化，优化结果如图8和图9所示，较疏的加强肋分布固频可提升至43.1Hz，较密的加强肋分布固频可提升至46.7Hz，故为提高顶盖刚度性能，尽量选用密集的起肋分布。

3.4 顶盖优化方案及验证

优化方案对比如表1所示。基于以上优化方案，宽度方向最密的加强肋分布，对顶盖刚度性能提升效果最好，顶盖第一阶弯曲模态固频由27Hz提升46.7Hz，顶盖刚度性能得到大大提升。

根据顶盖最佳优化方案，进行整体多工况践踏实验和随机振动实验，空调产品风机系统未发现明显塑性变形；冷凝器翅片无明显压扁现象；电器盒等部件无异常破损。故优化顶盖刚度性能的提升能有效地保证空调部件在流通运输中的可靠性。

4 结论

（1）通过对空调产品人工践踏实验损坏分析，确定了顶盖静刚度性能较差、抗变形不足是空调部件变形和损坏的原因。

（2）结合国标公路谱低频区和空运高频区，选择了更严厉的功率谱密度载荷；整机随机振动分析显示，顶盖强度性能足够，但动刚度性能一般，极易被激起发生共振，造成相应变形和振动。

（3）基于密度法，对顶盖进行了形貌优化；在顶盖刚度性能提升方面，宽度方向加强肋分布优于长度方向，较密的加强肋分布优于较疏加强肋分布；顶盖最终优化方案通过了践踏实验和随机振动实验验证。

[1]汪苗苗.平板电视缓冲包装件的力学特性研究.东北林业大学硕士论文[D],2010:11-12

[2]贾维新,郝志勇,杨金才.基于形貌优化的低噪声油底壳设计研究.浙江大学学报[J],2007,41(5):770-771

Structural optimization of cover in outdoor unit of air conditioner base on transport

OU Junlan1ZHOU Jun2
(1.Heyuan Science and Technology school, of Heyuan Heyuan 517000; 2.Refrigeration Institute of Gree Electric Appliances, Inc.of Zhuhai Zhuhai 519070)

In this thesis, the reasons why air conditioner deformation and damage occur during flow and transport are analyzed. The effective CAE analysis and assessment of random vibration for outdoor unit of air conditioner are carried out, and the structural optimization scheme for the cover of the outdoor unit is determined. Base on the performance requirements of random vibration and trampling test, the stiffness contribution of the cover is analyzed, while the cover is optimized by the method of pattern optimization, and the stiffness property of the cover is greatly improved.

Random vibration; PSD; Pattern optimization; Stiffness contribution