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空调支架的有限元分析作者：周亮来源：《西部论丛》2017年第03期摘要：由于空调支架为一个完全对称结构，空调的重量均匀分部在两侧对称支架上，因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析，同时也达到了简化空调支架分析的目的。
本文分三部分完成：一，空调支架一侧的建模；二，利用有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析；三，根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。
关键词：完全对称结构强度校核结构优化一、引言19世纪，英国科学家及发明家麦可·法拉第，发现压缩及液化某种气体可以将空气冷冻，此现象出现液化氨气蒸发时，当时其意念仍留于理论化。
1842年，佛羅里达州医生约翰·哥里以压所落成的新大楼设有中央空调。
一名新泽西州的工程师Alfred Wolff协助设计此崭新的空气调节系统，并把技术由纺织厂迁移至商业大厦，他被认为是令工作环境变得凉快的先驱之一。
被称为制冷之父的美国发明家威利斯·哈维兰德·卡里尔于1902年设计并安装了第一部空调系统，并于1906年得到注册专利。
目前市场上流通的空调支架的材质主要有3种：普通角钢材料，安全使用期一般为5年—7年；防锈能力较强的普通镀锌板，安全使用期一般为7年—10年；具有超强防锈能力的镀铝锌钢板或不锈钢材料，安全使用期约为10年—15年。
二、空调支架的特点分析由于空调支架为一个完全对称结构，空调的重量均匀分部在两侧对称支架上，因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析，同时也达到了简化空调支架分析的目的。
本次作业可以分三部分来完成：一，空调支架一侧的建模；二，利用有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析；三，根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。
三、空调支架的建模本次进行的是空调支架的静力分析，在SolidWorks中建模后导入ANSYS中进行分析，划分合适的网格并分析，本文采用的有限元分析软件为美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件ANSYS15.0。
《材料成形过程数值模拟》报告：ANSYS模拟报告支座零件建模及结构静力模拟分析报告1、问题描述上图为需要建立的模型的3D示意图，底座为150×400的矩形，有通孔的一边两个角有半径为7的倒角，底座上的通孔半径为40，主体为两块交叉的肋板和被支撑圆柱，主肋板为长300厚30的板块，副肋板宽120厚30，空心圆柱体内径为80外径为140。
圆柱体上有内径20外径40的小型瞳孔。
使用材料为Q235钢材，弹性模量为206000Mpa，泊松比0.3，密度为7840kg/M3,屈服强度为235Mpa。
固定底面和通孔不动，对大圆柱内表面施加30Mpa起扩张作用的载荷。
2、问题分析选用自顶向下建模的方式。
先做一个矩形块为底板，然后再建立一个板块，用矩形块减去板块。
然后对底板的两个角进行倒角操作，然后在底板上建立两个圆柱体，用底板减去圆柱通孔。
建立一个支撑肋板，再建立一块肋板。
变换坐标系，建立大空心圆柱体，利用平面划分将圆柱与肋板分开，然后进行减操作。
然后再建立一个半径为20的小圆柱体，用大空心圆柱体减去半径小的圆柱体达到打孔的目的。
将小块肋板延长，然后进行修整肋板操作。
最后将全部模型进行合并操作。
建模完成后划分有限单元格并设置单元尺寸，输入钢材的参数，确定约束条件，对模型大空心圆柱内表面施加30Mpa起扩张作用的载荷，通过软件对受力情况进行分析模拟并保存示意图。
3、模拟计算过程1.定义工作文件名和工作标题1）定义工作文件名：File | Change Jobname，输入文件名称，OK。
2）定义工作工作标题：File | Change Title，输入工作标题,OK。
3）重新显示：Plot | Replot2.显示工作平面1）显示工作平面：WorkPlane | Display Working Plane2）关闭三角坐标符号：PlotCtrls | Window controls | Window Options | Location of triad | Not shown3）显示工作平面移动和旋转工具栏：WorkPlane | Offset WP by Increments,把角度degrees 调整到90°，然后通过旋转X,Y,Z轴来建立，X轴在前，Y轴在右，Z轴在上的右手坐标系。
1静力学分析概述机械设备在工业及人们生产生活中的应用日益广泛[1]，支架不作为机构运动中的关键运动件，但起到支撑和传递力的作用[2]，其性能的下降往往容易被忽视，但却对机器的整体性能产生很大的影响。
如机器人的本体支撑架，或是驱动单元支撑架，由于长期受力导致的变形或局部缺陷往往会引发一系列的设备故障，因此对于支架的仿真分析非常必要。
本次研究采用基于有限元仿真分析的Ansys软件[3，4]，对不同形式的支架受力情况进行参数化研究。
基于有限元静力学分析的思路已相对成熟，其仿真结果具有较高的参考意义。
本次研究为对机械结构的设计、设备受力分析及故障诊断提供一定的依据。
仿真它是使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。
现如今随着我国的军事以及科学技术的突飞猛进的发展，仿真也越来越有受到重视，它已成为各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段，尤其是在航空航天领域，仿真技术也是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段，可以取得很高的经济效益。
在研制、鉴定和定型全过程都必须全面地应用先进的仿真技术。
否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。
2仿真分析方法对于支架的力学仿真分析，可以通过机械建模软件建立之间的三维模型，然后在AnsysWorkbench中基于有限元分析理论进行仿真分析和求解计算。
2.1机械建模软件Solidworks Solidworks创建了有限元分析所需的三维立体模型,其采用基于特征的建模方式，常见的特征包括拉伸，旋转，镜像，阵列及扫描放样等。
Solidwork用来机械建模有三大模块，可以绘制零件并且将零件装配，绘制相应的工程图[5]。
在零件建模中，通过特征的组合实现对特定结构尺寸的模型建立，在装配体模式中，通过不同的配合形式将零件体装配，配合的本质是限制相应零件的自由度，从而实现装配。
对非标零件进行加工生产时需要绘制工程图，Solidworks的工程图绘制模块可以直接生成各视角的视图并进行标注，对关键尺寸标注公差，并进行表面精度要求[6]和技术要求的书写，对于热处理形式，材料选择以及圆角处理等工艺要求均可在工程图中进行标注。
基于ANSYS软件的支架强度有限元分析报告一、概述本次大作业主要利用ANSYS软件对支架的应力和应变进行分析,计算出支架的最大应力和应变。
然后与实际情况进行比较,证明分析的正确性,从而为支架的优化分析提供了充分的理论依据，并且通过对ANSYS软件的实际操作深刻体会有限元分析方法的基本思想，对有限元分析方法的实际应用有一个大致的认识。
二、问题分析如图1所示的支架由3mm钢板折弯而成。
该支架的h2一侧为固定支撑，顶部平面承受书本重物载荷，重物重量为500N。
材料的杨氏模量为2E11Pa，泊松比为0.3，密度7850kg/m3。
图1 支架a b h1 h2 w数据80 40 15 40 15三、有限元建模支架由钢板折弯而成，厚度尺寸相对长度和宽度尺寸来说很小，所以在ansys中采用面体单元进行模拟，在Workbench中的单元设置为shell181，材料即为结构钢材料，其弹性模量为2.1e11Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m^3图2 材料属性双击Geometry进入几何模型建立模块，首先设置单位为mm。
以XY平面为为基准建立如下草绘面。
图3 草绘面1再以此草绘面生成面体，通过概念建模的方式实现。
图4 生成面体对上面面体的长边进行拉伸，拉伸方向为垂直向外，拉伸15mm图5 拉伸成面体对相交区域进行倒角，倒角半径为3图6 最终几何模型双击model进行分析界面进行网格划分，首先定义面体厚度为1mm图7 面体厚度随后进行网格划分，设置网格尺寸为5mm，采用全四边形网格划分方法，同时在倒角位置采用Mapped Face sizing功能映射网格，保证网格过度平滑。
图8 有限元网格模型检查网格质量，Workbench中网格质量柱状分布图如下所示，最差的都大于0.6，网格质量平均值为0.84，可见网格质量很好，满足计算精度图9 网格质量检查添加载荷，如10所示支架h2一侧为固定支撑，采用Fix Support固定方式实现，顶部平面承受500N的均布力，采用Force实现，如下图所示图10 载荷加载四、有限元计算结果（1）位移变化，如图12所示，结果最大变形为0.17mm，发生在左侧边角区域，刚好为载荷加载边缘处，也为结构刚度最为薄弱区域图12 位移云图（2）等效应力计算结果，如图3所示，最大等效应力为213MPa，发生在右侧倒角区域，该处为约束边缘处，由于约束会引起较大的应力集中，所以在实际情况下应该加大此处的倒角过度，减缓应力集中现象。
如图所示板件，其中心位置有一个小圆孔，尺寸如图，材料弹性模量为2×105N/mm2 ,泊松比u=0.3，拉伸荷载q=20N/mm，平板厚度t=20mm
1，工作环境设置
(1)打开ansys
(2)勾选structural进行分析
2，建立几何模型
（1）在xy平面建立一个矩形
（2）创建实体园
（3）布尔减asba，1,2 3，定义单元属性（1）定义单元类型
（2）定义材料特征
（3）定义实常数厚度“20”
4，划分网格
（1）采用默认网格属性指派
（2）设定网格尺寸网格边长5mm （3）划分网格自由划分
5，加载与求解
（1）定义分析类型“static”
（2）左端施加固定约束
（3）右端施加均布荷载均不压力计算为-1
（4）显示有限元模型荷载转换几何荷载到有限元模型上
（5）求解solution-solve-current ls 6，后处理，查看计算结果
（1）查看变形
（2）绘制第一主应力等值曲线云图。
ANSYS分析实例详解姓名：XXX 学号：XXX 专业：XXX 内容：空调支架的有限元分析本次作业为对一空调支架的有限元分析，其主要内容包括空调支架的建模、有限元分析、强度校核以及结构优化等。
下图为空调支架一侧的实物图片：1、空调支架的特点分析由于空调支架为一个完全对称结构，空调的重量均匀分部在两侧对称支架上，因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析，同时也达到了简化空调支架分析的目的。
本次作业可以分三部分来完成：一，空调支架一侧的建模；二，利用商业化有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析；三，根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。
2、空调支架的建模空调支架的具体尺寸图如下图所示：考虑到空调支架模型结构简单，故在此没有利用三维软件建模而是直接在有限元分析软件中进行建模，本次作业采用的有限元分析软件为美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件ANSYS10.0。
建立模型包括设定分析作业名和标题，定义单元类型、定义材料属性、建立三维模型、划分有限元网格。
2.1设定分析作业名和标题打开ANSYS软件进入ANSYS操作界面，首先从主菜单中选择【Preferences】命令，勾选Structural。
然后从实用菜单中选择【Change Jobname】命令，将文件名修改为Ktiao2，从实用菜单中选择【Change Title】命令，将标题修改为Ktiao2。
如下图所示：2.2定义单元类型在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。
本文中选用8节点六面体单元Solid185。
如下图所示：2.3定义材料属性由于空调支架所用材料为45#钢，故可查得45#钢的弹性模量为210Gpa，泊松比为0.3。
从主菜单中选择Preprocessor>Material Props>Material Models命令，打开定义材料模型属性窗口，对材料弹性模量和泊松比进行设置。
Ansys应用大作业
空调支架ansys分析
专业：机械电子工程
学号：
姓名：
空调支架ansys分析
在日常生活中，我们到处可以看到空调，由于场地的限制，空调经常要依靠支架悬挂在墙体外表面，由于空调质量大，而且经常外挂于高处，如果因为支架不够牢固而造成空调下落，有可能造成伤亡事故，所以我想拿空调的支架来进行ansys分析，分析它的受力变形状况。
（一）模型的简化
图1 图2
如图1为常见的空调支架实体，图2为我们简化后的模型。
（二）ansys模型的建立
设置单元类型为solid brick 8node 185 如图3
图3
45号钢的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，如图4我们设置材料的属性
图4
先用关键点1（0，0，0）2（0，0.155，0 ）3（-0.540，0.155，0）4（-0.540，0.11，0）生成面，再扩展成厚度为0.005的体，接着用生成块命令生成3个块，4个体再进行相加，如图5所示
图5
（三）进行网格划分与静态分析
根据支架的尺寸，我们设置网格单元大小为0.005，如图6所示，然后进行网格划分，结果如图7所示
图6
图7
我们假设螺钉足够牢固，能把支架牢牢地固定在墙面上，所以我们对支架靠近墙面的面加上各个方向的约束，如图8所示
图8
由于空调由两个支架支撑，而且下底面压在图1所示的340mm 区域内，所以我先把空调的重力转化为在图中所示的340mm 所在的面积的压强
559.831705.880.340.05
F P S ⨯===⨯ 209.811529.410.340.05
F P S ⨯===⨯ 如图9进行加压强载荷
图9
进行求解，然后我们查看结果，查看位移图10，我们可以看出最大的位移在支架的末端，为0.569e-0.4，可见位移很小，在生活中我们基本忽略不计。
图10
然后查看Von mises stress图，如图11，我们可以看出应力基本上集中在斜内板的下部分，我们查看标准，GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16％，断面收缩率为40％，冲击功为39J。
我们从图中看出最大内应力为3.4GPa，可以看出余量还很大。
图11
考虑到在日常生活中我们可能会碰到要站在空调上面的情况，如火灾时从窗户逃生时，站在空调上，那这样的情况下，支架能够承受住吗？于是我们对这样的情
况进行分析。
我们假设人的重量为70kg，则此时
559.8
31705.88
0.340.05
F
P
S
⨯
===
⨯
，
我们先删掉之前的载荷，然后如图12加上新的压强，进行求解后，我们查看位移图，和Von mises stress图，可以看出此时的最大位移还是比较小的，内应力也是满足要求的，所以人是可以站在空调外机上而不使支架破坏。
图12
（四）模态分析
模态分析就是要求特征值和特征向量，特征值就是要知道结构振动的一些基本振型对应的频率，在实际中，有时为在实际中，有时为了避开这这些基本频率，防止共振，有时要加强振动，看实际需要，基本自然频率可以给我们一个准则，可知道我们的结构变形是算快还是算慢，基本自然频率也可以代表结构整体的刚度：频率低表示结构的刚度很低（结构很柔软），相反的频率高表示结构的刚度很高（结构很坚硬）。
结构的软硬程度视需求而有不同的设计，譬如刚性的高楼设计虽然比较不会摇动的太厉害，但是却不容易吸收地震能量；相反的柔性的高楼设计虽然会摇动比较大，但是往往可以吸收很大的地震能量。
振型有何实用上的价值呢？从振态的形状我们可以知道在某个自然共振频率下，结构的变形趋势。
若要加强结构的刚性，你可以从这些较弱的部分来加强。
比如说一个高楼的设计，如果经过模态分析后会发现，最低频的振态是在整个高楼的扭转方向，那表示这个方向的刚度是首先需加强的部分。
对于有空调的支架我们也是有必要进行模态分析的，在东部沿海地带，经常刮台风，会引起空调机的振动，产生的振动可能会引起支架的共振，所以我们有必要进行模态分析。
我们先设定新的分析方式为模态分析，然后选择模态扩展的方式为block lanzcos 扩展的阶数为10，频率从0~9999999 如图13
图13
然后进行求解，我们得出前10阶的频率如图14
图14
接着我们查看前两阶的形变图和von mises stress 图
1阶位移图
1阶位移求和图
1阶von mises stress 图
2阶位移图
2阶位移求和图
2阶von mises stress 图
然后我用动画演示1阶和2阶的位移结果，可以看出1阶的时候，支架是来回在进行晃动，而2阶的时候更是带有翻转。
1阶动画演示
2阶动画演示
在上面的模态分析中，我们可以看出1阶时最大位移为1.318，2阶时最大位移为1.607，位移都远远超过静态的时候的位移。
内应力也是非常大。
2阶的时候支架甚至发生了整体变形。
从上面的分析中，我们可以看出在台风的时候，如果风引发空调机的振动的频率和支架的固有频率一样时，支架的形变迅速加大，支架很可能发生屈服而破坏，空调机很可能从高处坠落，所以在台风来临的时候我们应该注意悬挂空调处，注意是否有高空坠物。
（五）模型的简化
在静态分析中，我们看出支架的内应力大的地方一般集中在肋板的下边缘，而且应力有很大的余度。
所以我们考虑是不是可以去掉板中间的一部分，节约材料和成本。
我们在板的中间挖掉如图所示的体块，剩下的边缘宽度为10mm
进行静态分析，得出位移图和应力图
位移图
位移求和图
Von mises stress 图
可以看出最大位移还是比较小的，最大内应力为54MPa，还是符合要求的，但是我们可以看出中间的歪曲程度有些大，为了安全，我们可以在中间处加一个支柱，如图15
图15 得出位移图和应力图，如下
位移图
可以看到中间加上一个支柱对于减少位移和内应力有很大的效果。
在生活中我们也可以看到有些空调支架如图16所示，其原理就是和我们分析的结果相类似，一个支柱支撑空调受力于支架处的中部，可以大大减少支架的位移和内应力
图16
接着对上面的支架进行模态分析。
得出其前10阶固有频率，可以看出总体上各阶的频率都下降了，支架的刚度下降，台风造成的振动更可能引起共振，从而使支架破坏
第1阶位移求和图
第1阶von mises stress图
第10阶位移求和图
第10阶von mises stress 图
当然我们上面的分析是基于支架能够紧贴墙面不动，在生活中，厂家通过加长与墙的接触板长度来增加连接的螺栓的数目，以此来确保有足够的强度使支架贴牢墙面。
如下图所示。
（六）心得
在本次大作业中我从寻找研究课题，到建立模型进行研究和得出结果，虽然化了我挺长的时间，但是我收获颇丰。
重新把在课上学到的东西又用了一遍，巩固深化理解这个软件。
掌握好ansys这个软件，对于我以后的学业工作研究是很有帮助的，因为学习生活工作中我们无时不刻地接触到各种模型，有时候我们要对结构的受力进行分析，要优化结构，而ansys就能更好地帮助我们研究这个模型。
注：一些模型数据来自于百度文库。
