基于有限元法对空调动力仿真及优化

刘豆豆 饶洋平 夏培均 唐荣华 李越峰

（四川长虹空调有限公司 绵阳 621000）

空调运行时，室内空气从进风口被吸入，通过滤网过滤，经过蒸发器换热，随后通过风扇引流，气流从出风口吹出，从而控制房间温度。空调长时间运行后，空气中的灰尘、杂物附着在过滤网或蒸发器上，对空调的制冷、制热、噪音及用户的健康影响较大，尤空调在长时间待机后需要对空调内部结构件进行清洗。通过机械理论设计及专利规避分析，设计出空调进风口运动机构解决灰尘杂物对空调性能的干扰，提高空调性能。

本文先通过三维软件对进风口封闭机构进行三维建模，初步确定封闭机构方案，再通过有限元软件对初步方案进行仿真分析判断方案的可行性并进行优化，最终确定最优的设计方案。

多体动力学系统是多刚体系统和多柔性系统的组合，是在经典力学基础上发展起来研究多体系统运动规律的一门学科。半个世纪以来，多体动力学仿真主要经历了三个发展时期：①2000 年之前主要是对部件的结构及连接进行多体动力学仿真时期；
②21 世纪前 10 年，主要为多体系统（包含结构、材料属性及控制元件的整体系统）仿真时期；
③今后多体动力学主要朝着多体产品仿真时期转变，仿真技术更加成熟和完善[1,2]。因此，在多体动力学的基础上，对空调进风口运动机构模型进行多体动力分析，判断机构运行的可行性。

由于有限元软件建模的局限性，一般情况下采用专业三维软件对空调整机进行三维建模，本次研究中在前端三维软件中完成空调进风口运动机构建模，以.stp格式或以.x_t格式进行保存，并导入后端有限元分析软件，因有限元分析的基本概念就是将复杂的物理对象进行离散化，采用基于子域的试函数描述，通过对所有子域误差的加权集成处理来建立整体系统的分析方程，再充分利用计算机强大的数值处理能力，就可以对任意复杂模型的问题进行数值求解[3,7]。

因空调运动机构模型整体较大，模型特征较为复杂，为提有限元求解精度，减少求解时间，需对空调运动机构模型进行简化，简化后零件包含5片摆叶（摆叶1、摆叶2、摆叶3、摆叶4、摆叶5），2个连杆（连杆1、连杆2），1个曲轴，实际工程中，不同位置零部件的材料均有差异，为保证实际与仿真分析的一致性，需要对模型定义材料属性，摆叶1、摆叶2、摆叶3、摆叶4、摆叶5均设置ABS材料，连杆1、连杆2、曲轴均设置POM材料，ABS材料、POM材料物性表，表1所示，空调运动机构有限元模型，图1所示。

图1 空调运动机构有限元模型

3.1 转动副设置

空调运动机构运动过程中，电机驱动曲轴转动，带动连杆1、连杆2往复运动，5片摆叶两端分别与连杆1、连杆2连接，在2个连杆的驱动下5片摆叶实现启闭功能。为保证与实际运动的一致性，有限元转动副的设置中，5片摆叶与连杆1、连杆2之间，曲轴与连杆1之间采用符合实际的转动（revolute body-body）连接，并且保证每组转动副的转动均为Z向的转动，5片摆叶两端及中间周转部位、曲轴的端面设置与地面连接的转动副（ground-revolute），并保证Z向转动，分析中可以自定义其他方向为转动方向，但必须保证模型中每组转动方向为同一转动方向，否则分析会出现报错的情况，本文分析以Z向为转动为例分析。

3.2 机构动力分析方程式

本文分析采用瞬态动力学分析，理论方程为[8]：

式中：

[M]—质量矩阵；

[C]—阻尼矩阵；

[K]—刚度矩阵；

X—位移向量；

F(t)—变载向量。

实际工程中，电机驱动曲轴带动连杆使5片摆叶呈往复式运动，本文通过在曲轴上设置转运动副（Joints），实现机构在一个周期的往复转动，分析带动整个机构所需的最大牵引力矩、位移量及应力结果。

4.1 仿真结果分析

通过有限元仿真软件分析，结果表明：驱动空调进风口机构转动所需牵引力力矩70.56 N·mm，5片摆叶往复转动的最大角度为84.9 °，转角符合设计要求，空调运动机构转动最大角度位置，图2所示，往复运动中连杆1远离初始位置最大位移量为16.05 mm，当连杆1运动到最大位置时，5片摆叶转动到最大角度即84.9 °，在此运动过程中，连杆1转动中出现的最大应力0.27 MPa，最大应力出现的位置位于与摆叶5连接的转动部位转轴的根部，图3所示，连杆1的最大应力远远小于零件的设计强度，强度远远满足设计要求。

图2 摆叶转动的最大角度

图3 连杆1应力云图

综上，因连杆1的设计壁厚3.5 mm，连杆1应力集中主要分布在5个转轴和孔边缘，而远离转轴和孔的位置，应力很小几乎为0，且连杆1运动中的最大应力远远小于零件设计强度，强度过于安全，零件壁厚偏厚，质量偏重，成本较高，不符合工程设计理念，所以在满足强度及设计要求的基础上，需要对连杆1进行优化，并进行分析。

4.2 结构优化

根据上述分析结构，从减小连杆1的壁厚、去除冗余的材料方向，对连杆1结构进行优化，然后对空调运动机构再次进行仿真分析，为提高求解精度，减少计算时间，本文对连杆1采用结构化网格，图4所示，结果表明：优化后，机构牵引力矩为62.4 N·mm，牵引力矩小于原状态值70.56 N·mm，图5所示 ，整个运动机构呈周期性运动过程中，优化后的牵引力矩始终小于原状态的牵引力矩，5片摆叶最大转角为84.6 °，与原状态转动最大角度84.9 °基本相同，优化后与原状每一时刻转动角度基本一致，图6所示，转动角度满足设计要求，连杆1偏移初始位置的最大位移量17.17 mm，与原状态偏移位置基本相同，图7所示，连杆1转动过程中最大应力为50.84 MPa，最大应力位置位于转轴的根部，强度满足设计要求，优化后连杆1应力图，图8所示，通过减小连杆壁厚、质量，优化后连杆设计壁厚为2.5 mm，质量减少至原状态二分之一，导致应力增加，其应力特征符合理论趋势，但最大应力仍在材料承受范围之内，强度满足结构要求，图9为优化前后连杆1应力幅值，一个周期的转动，应力呈周期性变化。

图4 连杆网格划分

图5 机构牵引力矩对比

图6 摆叶转角对比

图7 连杆位移对比

图8 连杆1应力图

图9 连杆1应力对比

1）通过有限元仿真分析，可以查看任意时刻，每个零部件的应力、变形、速度等值，分析得到零部件失效的时刻及失效部位，根据变形、应力云图的结果分布图可以对零部件相应的位置进行加强或减薄处理，能及时设计出零件的最优方案；

2）通过有限元仿真分析，得到运动机构往复运动转动角度，及每个角度下的驱动运转的力矩数值，便于运动机构电机规格的选择；

3）通过分析为零件优化提供方向，能够较快的设计出零件最优方案，且能快速判断出零部件失效位置及失效方式，为产品设计提供参考意见。