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基于Patran空调室外机支架的有限元分析付振山;于春玲【摘要】根据《空调器室外机安装用支架规范》对空调室外机支架进行了强度分析,采用Patran有限元软件进行了静力分析和屈曲分析,分析了在规范载荷下的强度和稳定性分析,计算结果表明强度和可靠性满足要求.【期刊名称】《现代机械》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】3页(P68-70)【关键词】空调支架;静力分析;屈曲分析;有限元分析【作者】付振山;于春玲【作者单位】威海职业学院,山东威海264210;威海职业学院,山东威海264210【正文语种】中文【中图分类】TH122随着人们生活水平的提高，空调的使用越来越广泛，空调室外机室的安全性不容忽视。
空调室外机一般采用支架支撑，且使用年限较长，因此支架的强度要满足要求。
因支架结构简单常采用工程算法计算强度，方便快捷，同时也存在以下缺点：没有考虑到安装孔等技术细节对应力的影响；对结构中出现的应力集中计算不足；不能了解整体结构的应力分布等。
有限元软件从3D实体出发，利用有限个小的互连子域替代整个求解域，从而克服了以上缺点，在工程中取得广泛应用。
Patran软件具有强大的计算分析能力，能够模拟支架在载荷作用下各部分的应力和应变，分析支架在载荷作用下的稳定性。
空调室外机支架一般挂在室外，主要承受室外机重力作用，重力载荷基本不变，因此采用静态分析法计算支架在重力作用下的应力和应变，分析强度是否满足要求。
1.1 建立空调支架的3D模型空调室外机支架的3D模型采用SolidWorks软件建立，其结构由两块槽钢和一块等边角钢焊接而成的三角之架,竖槽钢上有3个φ12的固定孔，槽钢截面尺寸为63 mm×40 mm×4.8 mm，角钢截面尺寸为30 mm×30 mm×4 mm，材料为Q235碳素钢，弹性模量E=206 GPa,泊松比v=0.3，密度7.8 kg/mm3。
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。
支架的线性静力学分析实例：建模和分析计算在此实例中读者将学习ABAQUS/CAE的以下功能。
1) Sketch功能模块:导人CAD二维图形，绘制线段、圆弧和倒角，添加尺寸，修改平面图，输出平面图。
2) Part功能模块:通过拉伸来创建几何部件，通过切割和倒角未定义几何形状。
3) Property功能模块:定义材料和截面属性。
4) Mesh功能模块:布置种子，分割实体和面，选择单元形状、单元类型、网格划分技术和算法，生成网格，检验网格质量，通过分割来定义承受载荷的面。
5) Assembly功能模块:创建非独立实体。
6) Step功能模块:创建分析步，设置时间增量步和场变量输出结果。
7) Interaction功能模块:定义分布榈合约束(distributing coupling constraint)。
8) Load功能模块:定义幅值，在不同的分析步中分别施加面载荷和随时间变化的集中力，定义边界条件。
9) Job功能模块:创建分析作业，设置分析作业的参数，提交和运行分析作业，监控运行状态。
10) Visualization功能模块:后处理的各种常用功能。
结构静力学分析（static analysis）是有限元法的基本应用领域，适用于求解惯性及阻尼对结构响应不显著的问题。
主要用来分析由于稳态外载荷引起的位移，应力和应变等。
本章的静力学分析实例按照ABAQUS工程分析的流程对支架进行线性静力学分析，通过实例基本掌握了分析的流程，同时了解接触的定义。
1.问题描述所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，圆孔和杆件用螺纹连接。
材料的弹性模量E=2100000MPa,泊松比为0.3。
支架的两种工况1 杆件的一端受到沿着沿Y轴为2000N的集中力，其随着时间变化。
2 支架的自由端还在局部区域上受到均布的剪力Ps=36MPa。
时间（S）集中力（F/KN）0 1.50.2 20.4 1问题分析为简化问题，实例基于结构和载荷的对称性。
有限元分析空调优化设计论文【摘要】本文运用有限元分析的方法对一款柜式空调器出风面板结构进行了优化设计并进行了仿真，仿真结果表明优化后的出风面板具有良好的强度，能够抵抗跌落测试的最大应力。
【关键词】空调器；有限元分析；优化设计；SolidWorks Simulation；可靠性空调器的出风面板结构设计不当或者强度不足，可能会导致在生产过程、实验过程或物流运输过程等环节中出现外观破损的问题。
破损位置主要集中在出风面板顶部拐角处。
目前空调器的注塑结构件使用的材料主要有ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PS（聚苯乙烯）、HIPS（高抗冲聚苯乙烯）、PP（聚丙烯）、POM（聚甲醛）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：有机玻璃）等[1]。
在已知空调器零部件材料特性参数的前提下，借助于计算机采用有限元方法对结构（包括各种已知和未知的零部件结构）进行分析，可以避免大量的整机试验，既能保证产品结构强度，节约实验及资财等资源，又能有效提高设计开发效率[2-3]。
针对上述空调器出风面板在实际生产、售后等过程中出现的问题，本文采用SolidWorks Simulation软件对该款空调器出风面板结构强度进行模拟试验，对优化设计后的产品结构进行可靠性分析并给出准确评价，从而达到对空调器出风面板结构优化设计的目的。
解决方案SolidWorks Simulation是一种基于有限元分析（即FEA数值）技术的设计分析软件，其具有不同的程序包和应用程序以适应不同用户的需要。
该款软件作为嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成，方便了用户从最初的物体三维建模到最终的有限元分析一体化操作[4]。
按照SolidWorks Simulation软件的工作特性和本文想要达到的预期设计要求，产品优化设计分析流程如图1所示。
建立有限元分析模型建立空调器几何实体模型时，在保证产品关键结构特点的基础上遵循模型尽量简化的原则，从而达到降低有限元模型分析时间的目的。
连接支架有限元分析有限元课程大作业指导老师：沈韶华姓名：侯参参班级：06机械5班学号：0601105312008年11月20日目录一、问题描述 (2)二、建立模型，定义材料属性 (4)三、划分网格 (6)四、添加约束，施加载荷，求解 (7)五、结果输出 (8)连接支架有限元分析一、问题描述连接支架尺寸如图所示：其中数据K为学号最后3位***/10，我的学号是531，k为53.1，故尺寸为：101.75.177.1支架材料的弹性模量E=2*1011 Pa，泊松比u=0.3。
约束和加载要求：连接支架在底面的四周边界不能发生上下运动，即不能发生轴向的位移；在底面的两个孔圆周上不能发生任何方向的运动，在半径为9的轴孔的内表面A处分布有k*106 Pa的压力，在宽为10的B表面分布有k*107 Pa 的压力。
进行ANSYS分析。
二、建立模型，定义材料属性1、模型分析该连接支架结构对称，由底板、轴孔和肋板组成，可按由底向上的顺序建模。
2、建模过程1)底板：①显示工作平面，把坐标系绕X轴旋转90度。
用create rectangle by dimensions在工作平面做一个20*50.55的矩形，X：0，20；Y：0，50.55。
在前方X轴外侧的两条交线做半径为7的倒角，并将圆弧和两条直角边形成平面。
②移动工作平面，X、Y、Z增量为13，43.55，0。
用solid circle做圆面，半径为3。
③面相减：大矩形减去倒角和圆。
④拉伸：用alone normal,选择已作的唯一图形，拉伸长度为5。
用reflect把延XZ 平面镜像，把两块对称的volume加在一起。
2)圆柱轴筒和矩形槽①移动工作平面到原点。
用create rectangle by dimensions在工作平面做矩形，X：0，5；Y：9，11。
用alone normal拉伸该矩形，拉伸长度为-70.1，生成长方体。
将该长方体沿XY方向镜像。
②用solid circle作圆，圆心坐标：0，0；半径分别为9和11。
空调管路有限元分析【摘要】本文针对某款空调室外机配管加上配重块后，产生振动大、噪音高等问题，对空调室外机配管结构建立力学模型后，用有限元程序对其模态分析，得出该配管结构固有频率值和对应固有频率下的振型图。
分析出配管加上配重块后，结构固有频率落在压缩机对配管结构激发频率的共振区内，这样使得配管很容易发生机械共振，产生剧烈的管道振动。
为了验证配管模态分析结果的可靠性，进行了配管固有频率测试，测试值与仿真值在前几阶是相吻合，进一步验证了配管理论的正确性。
【关键词】空调；配管；模态分析；振动空调压缩机配管机械振动的原因主要是：①压缩机主机的动力平衡性能欠佳。
②管内脉动的气流在管道的转弯、变截面等处产生交变的载荷—激振力，导致了管道的机械振动。
配管振动除了引起噪音和异音外，严重时甚至发生断裂，因此对空调配管设计举足轻重。
在空调配管系统的振动和噪声控制方面，美国和日本等发达国家走在了世界前列，采用有限元方法对充满流体的管道进行结构动力特性分析。
目前企业中配管设计主要依赖于工程师的经验，但是在物理样机制造出来并通过相关测试之前，即便有相当工作经验的工程师也无法保证其设计方案能够满足各方面性能的要求。
为了保证可靠性，目前大多数设计方案都偏于保守，导致成本增加。
但即便如此，断管现象仍时有发生，振动、噪音问题也未得到有效控制。
针对某款空调室外机配管加上配重块后振动大、噪音高及其成本较高等问题，采用有限元法对该配管进行结构动力特性分析，得到其固有频率值和对应固有频率下的振型图。
同时采用B&K振动测试分析、力锤和加速度传感器对空调配管进行固有频率测试，测试值与仿真值在前几阶是相吻合的，验证了配管理论的正确性，这对空调配管设计的指导具有重要的意义。
1.空调配管结构的模态分析理论在工程中求解特征方程的近似方法有很多，包括Rayleigh能量法、Dunkerley 法、Ritz法、Subspace法、BlockLanczos法、Reduce法等。
Science &Technology Vision 科技视界由于空调器配管在空调运行中不仅会产生较大的噪音,而且会致使空调产生故障,为人们的生活带来了极大的不便,再加上传统的空调器配管的设计过程过于简化,只能对系统的部分特性进行反映,而不能让人们对所有的特性进行掌握,因此在测试过程中的进度十分缓慢,效率十分低下,这对空调设备质量的进一步提升是较为不利的。
本文将主要采用有限元分析的方法对空调器配管的设计进行进一步优化。
1空调器配管设计的工艺原则1.1吸气与排气管设计的工艺参数压缩机的排气管能够承受较大的压力,而压缩机的回气管则会产生较大幅度的震动,因此,压缩机的排气管与回气管的设计存在一定的差异。
压缩机在对排气管进行设计时最主要考虑的是如何尽可能降低排气管路的应力,而在对回气管进行设计时要尽量降低应力与震动幅度,只有这样才能尽量降低压缩机回气管的扭力矩,从而有效的提高空调压缩机的质量,降低空调器配管破裂事故的发生。
而通常空调的设计人员将主要把空调器配管设计成壁厚较厚的U 铜型,来达成降低空调器配管震动幅度的目的,尽量将其安装在离空调压缩机较近的地方,并且在压缩机排气管部位只安装一个空调器配管就可,而在压缩机的回气管附近要安装两个空调器配管,从而减小压缩机汽液分离器的震动幅度。
1.2间距设计的工艺参数空调器配管和其他零部件之间的最小间距主要分为以下情况:当空调器配管的长度大于150毫米时,或者其柔度较大时,最小间隙应保持在15毫米以上;当空调器配管的长度小于150毫米时,或者其具有较大刚度时,最小间隙应为10毫米;空调器配管与风扇叶之间的最小间距应为25毫米;而两个空调器配管之间的最小间距为10毫米[1]。
1.3对空调器配管的受力支点进行设计时的主要工艺参数空调器配管的受力支点主要有四个:即压缩机的排气口焊接处、压缩机回气口的焊接处、冷凝器的焊接处、低压阀的焊接处。
而这四个受力支点的主要设计工艺参数则如下所述:1)从空调的具体使用情况上进行判断,空调低压阀上的焊接点出现破损和断裂的情况较少,对空调器配管的影响较小。
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。
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(以论文、报告等形式考核专用)
二○一三～二○一四学年度第 1 学期
课程编号
23111221
02
课程名称有限元分析方法主讲教师龚峰评分
学号20111102
68 姓名朱志强专业年级机械设计制造及其自动化02
题目：空调支架的静力分析与屈曲分析
空调支架的静力分析与屈曲分析
【摘要】“空调支架失效，致使坠落伤人”事件频发，引起了社会的极大响应，整个行业也对“空调支架”充满了许多期许。
究其根源，社会众说纷纭。
本文针对此问题，选取了生活中的一种户外空调支架，对其进行了实测与工况分析, 并采用有限元方法，借助计算机建模软件Solidworks建立空调支架的3D模型，运用Patran/Nastran软件, 建立了空调架的有限元模型，对其进行了静力的应力应变分析和屈曲分析，得出了空调支架在静力条件下的危险工作部位，为空调支架的安全性设计与改进提供了理论依据。
【关键词】空调支架、静力分析、屈曲分析、优化设计
目录
【摘要】 (1)
一、概述............................................................................................ 错误!未定义书签。
二、建立空调支架的3D模型....................................................... 错误!未定义书签。
三、空调支架的静力分析 (3)
1、按实际工况进行应力应变分析 (4)
2、按安全性规范进行应力应变分析 (4)
四、空调支架的屈曲分析 .............................................................. 错误!未定义书签。
1、按实际工况进行屈曲分析 (5)
2、按安全性规范进行屈曲分析 (6)
五、空调支架的优化设计 ............................................................. .错误!未定义书签。
六、结论与展望.............................................................................. 错误!未定义书签。
一、概述
本文所选取的空调支撑架如下图1所示，整体构造由两块槽钢和一块等边角钢焊接而成，经过实际测量和查表可以确定：槽钢型号为：6.3#63*40*4.8，等边角钢为3#30*30*4，而实际槽钢测量值为：63*37*4.8，实际等边角钢测量值为3#30*30*4，与标准件的尺寸基本一致。
经过查询有关文献资料，确定该空调支架使用Q235碳素钢，这是因为Q235有一定的伸长率、强度和良好的韧性，焊接性能良好，而且价格便宜。
另外，Q235材料的弹性模量E=200Gpa,泊松比v=0.3。
图1
由该户外空调机的型号说明表（如下图2所示）可知该空调户外机的质量为62kg，即可得其重力的大小为620N,由于该空调户外机由两个相同的三角支架共同承载，故而单个空调支架的静载荷为310N。
图2
本文的目的如下：
1、校核空调支架在实际载荷下的静力应力应变情况和屈曲失稳情况，分析空调支架是否已经失效。
2、校核空调支架在行业规范规定的承载能力（承载能力不能低于空调器机组自重的4倍）下的静力应力应变情况和屈曲失稳情况，分析空调支架是否会失效。
3、通过校核找出连接部件的薄弱部分，通过加强对最薄弱环节的措施，对空调支架进行安全性的优化设计，以提高空调支架的使用寿命。
二、建立空调支架的3D模型
出于安全性校核的目的，根据实测值（实测值与标准值基本一致）用Solidworks软件建立空调支架的3D模型如下图3所示。
该模型的建立与实物高度一致，只是把焊接处简化成连为一体，对分析的结果影响不大（可通过施加含安全因子的计算载荷得到更精确的解）。
图3
三、静力分析
1、按实际工况进行应力应变分析
将Solidwoks建立的空调支架模型导入Patran软件建立有限元模型。
具体步骤如下所示：a.导入模型后，应先设置分析类型为结构分析，并设置单位制为：mm，MPa，N，如下图4所示；b.通过imprint方法添加载荷作用区域的印痕，如下图5所示；c.通过Tetmesh划分单元网格，如下图6所示；d.施加边界约束与载荷：由于该空调支架通过三个螺纹孔紧固在墙上，可近似看作固定端约束，而施加的载荷为310N，如下图6所示；e. 定义材料属性和单元属性,空调支架材质为Q235钢材，弹性模量E=200Gpa,泊松比v=0.3。
由于只进行静力分析，所以材料的其它属性不代入计算分析。
在Materials中输入材料的属性数值，为协调单位的一致性，输入值E=（200e3）MPa,泊松比v=0.3，然后在properties 中为有限元模型选择建立的材料属性即可完成对空调支架材料和分析单元属性的定义，如下图6所示；f.在Analysis下进行线弹性分析（LINEAR STATIC）,得出空调支架的应力和位移云图如下图8、9所示。
图4
图5 图6
图7
图8:应力云图
图9：位移云图
根据静力学理论分析，空调支架焊接处于螺纹通孔处存在局部的应力集中现象，属于危险部位。
通过有限元分析，从有限元分析结果中可知，空调支架最大应力为39.9Mpa，最大位移位于伸出端最外侧，为0.176mm，由材料手册可知Q235的屈服极限是235Mpa，明显该空调支架是处于安全工作的状态的。
2、按安全性规范进行应力应变分析
由上述分析可知，该空调支架是处于安全工作的状态的，但但并不说明不存在安全性隐患。
根据《空调器室外机安装用支架规范》规定：空调支架的承载能力不能低于空调器机组自重的4倍，使用寿命不得低于空调本身的使用寿命（10-12年）等，由此需进一步对空调支架进行安全性的校核，即对该空调支架施加的载荷为1240N，如下图10所示；分析的结果如下图11、12所示。
图10：施加载荷
图11：应力云图图12：应变云图
通过应力应变分析可知，空调支架最大应力为160Mpa，最大位移位于伸出端最外侧，为0.704mm，由材料手册可知Q235的屈服极限是235Mpa，因而该空调支架是符合规定安全性要求的。
四、屈曲分析
由于该空调支架是由薄壁件构成的，可进一步研究该结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。
下面对此空调支架进行屈曲分析。
建立屈曲分析的有限元模型，其步骤与建立静力分析有限元模型的过程（前面有叙述）大致相同，施加的预载荷为实际载荷310N，在Analysis命令下选择分析类型为BUCKLING,分析前五阶的屈曲变形情况，其中前三阶的结果如下图13、14、15所示。
一阶屈曲因子为613.13，二阶屈曲因子为630.43，三阶屈曲因子为684.28，取一阶屈曲稳定载荷系数可以计算出该空调支架失稳的临界载荷约为F=613*310N=190.03KN，重新施加190.03KN载荷进行屈曲分析，得出其一阶屈曲系数为0.9994，其数值十分接近于1，如下图16所示，从而进一步验证了该结构失稳的临界载荷约为190.03KN，故而说明了该空调支架在实际工况下并不会发生结构失稳的现象。
图13：一阶屈曲图14：二阶屈曲图15：三阶屈曲
图16
五、空调支架的优化设计
从有限元分析的结果可以看出，该空调支架是在满足安全性要求下工作的，并且尚留有较大的安全性余地，为节约资源和成本，可对该空调支架改用较小一号的槽钢5#50*37*4.5进行经济性的优化设计。
再次对此进行静力分析，施加实际载荷310N，得到的应力与应变云图如下图17、18所示，最大应力为25000MPa，远远大于许用值235MPa，因而该优化设计不可行，从标准件与安全性考虑，原设计是比较理想的。
图17：应力云图图18：应变云图
六、结论与展望
结论：1、从该空调支架静力应力应变分析和屈曲失稳分析的结果来看，该空调支架在实际载荷下和在行业规范规定的承载（承载能力不能低于空调器机组自重的4倍）下并没有发生失效，该空调支架是满足安全性要求的，在规定使用的期限内不会存在安全性隐患；2、通过尝试对空调支架进行经济性优化设计，并再次进行有限元分析，得出了不合理的结果，从而验证了原空调支架的设计是比较合理的。
展望：厂商制造空调支架前，可先对其进行工况分析,建立空调支架的3D模型，然后采用有限元方法，运用相关有限元分析软件（本文用Patran/Nastran 软件）, 建立空调支架的有限元模型，对其进行静力的应力应变分析和屈曲分析，得出空调支架的危险工作部位，最后通过对空调支架的结构进行进一步的改进与安全性优化设计，得到最优的空调支架结构，不但经济实用，而且安全可靠，这样也为相关行业杜绝“空调支架失效，致使坠落伤人”事件频发提供了解决之道。
致谢
本文是在龚峰老师的悉心指导下顺利完成的，在限元分析这门课上让我学到了很多本专业的相关知识，开阔了我的工程视野，并且让我体验了利用课堂知识去分析实际问题的过程，提高了自身的工程素养，由此，衷心感谢龚峰老师！。
