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1、华中科技大学 硕士学位论文 空调压缩机管路系统振动分析及其软件开发 姓名：杨元涛 申请学位级别：硕士 专业：制冷及低温工程 指导教师：舒水明 2011-01-07 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 伴随着我国经济的高速发展，制冷空调行业也得到空前发展。国内空调行业技术 研发水平相比以前虽然有了较大提高，但是待解决的问题也不少。 对于空调室外机结构设计而言， 能否开发相应的测试平台对于缩短研发周期和降 低研发成本都有重要的影响。依靠经验或仿制来设计配管，容易导致管路与压缩机 的激励不匹配，从而导致空调运行时管路系统的振动和
2、应力状况过大。一般合格的 产品需要经过配管设计、样机测试、配管设计方案整改、样机再测试等反复多次才 能达到预期效果，调试周期长，调试成本高，这些因素都会极大的影响产品的质量 和竞争力。 本文对空调压缩机及其管路系统的振动激励源进行了受力分析， 确定了振动载荷 的加载方法，对空调室外机的单机和整机建立了分析模型，利用著名的有限元软件 ANSYS 对系统进行了动力学模态分析和谐响应分析， 并通过振动测试实验对样机的数 据进行了测试，然后将测试结果和仿真结果进行了对比验证。应用软件的开发是基 于 VC+程序平台，对 CAD 参数化建模和有限元分析等过程都进行了封装，计算和结 果显示可自动完成。 应用
3、软件通过对 Pro/E 的二次开发来实现参数化建模，在交互式对话框内输入模 型的参数，软件可以将模型在 Pro/E 中自动重新生成并显示。振动分析的建模、仿真 计算和结果处理都使用了 ANSYS 的 APDL 语言进行编写， APDL 语句封装在 VC 程序 平台中。谐响应的载荷 FFT 变换也运用了 VC 与 Matlab 混合编程的技术，充分利用 了 Matlab 数值计算和图形显示的功能对激振力进行处理。 应用程序对显示、建模、计算和后处理等功能进行了封装，最终形成一个完整的 应用软件测试平台。由于充分利用了各款软件的优势，因此软件开发过程相对简单 而功能强大，且计算精度符合要求。投入到
4、实用中可以极大的缩短了产品开发的周 期和成本，对提高企业的效率和产品竞争力有重要的意义。 关键词：空调压缩机及其管路系统 动力学分析 ANSYS VC 应用软件 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the rapid development of Chinas economy, refrigeration and air conditioning industry has made unprecedented development, but many problems remain to be so
5、lved. For the structural design of outdoor unit of air conditioner, whether can develop the corresponding test platform or not has a significant impact to shorten the development cycle and reduce development cost. Qualified products generally need to repeatedly go through piping design, prototype te
6、sting, the rectification of piping design, prototype testing to achieve the desired results. The long test cycle and the high test cost will greatly affect product quality and competitiveness. In this paper, force analysis of vibration excitation of airconditioning compressor and piping system was c
7、arried out and the loading method of exciting force was determined. Pro/ENGINEER and ANSYS were used to build the model and carry on dynamic modal analysis and harmonic response analysis of outdoor unit of air conditioner. Test datas were got from the prototype by vibration testing experiment, which
8、 were compared with the simulation results. Application software development was based on VC+ application platform. The CAD parametric modeling and finite element analysis were encapsulated in the software. Calculations and results display could be completed automatically. Application achieved the c
9、apability of parametric modeling by secondary development of Pro/ENGINEER.Vibration analysis of modeling; simulation and result processing are written with APDL language; FFT transform of the load of harmonic response was carried out by the mixed programming technique of VC and MATLAB. For taking fu
10、ll advantage of the sections of commercial codes, application development process was relatively simple, and the accuracy met the requirements. This application can greatly shorten the product development cycle and cost, which is importance to improve efficiency and competitiveness of enterprises. K
11、eywords：Air Conditioning Compressor and Piping System Dynamic Analysis 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III ANSYS VC Application 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名
12、： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1
13、 绪 论 1.1 研究背景及意义 国内的空调企业一般从上世纪九十年代初开始起步，各方面的研究水平虽然有 了极大提高，但与国外空调企业相比仍有较大差距，主要的产品和技术以引进和模 仿为主。随着国民经济的飞速增长和人民物质生活水平的提高，空调产品的使用也 越来越普及。特别是近年来国家对制冷空调行业的家电下乡、以旧换新等一系列政 策扶植下，制冷空调企业更是发展迅速，各类空调产品的竞争达到白热化。然而相 关产品有待解决的问题也暴露不少1-2。 振动和噪声是分体式空调器室外机两个主要性能评价指标，引起室外机振动的 振源主要是压缩机和风扇。研究表明，由于压缩机直接通过进气管和排气管与蒸发 器和冷凝器相连，
14、因此压缩机引起的振动最为显著，是主要的振动源3。目前在分体 式空调器室外机产品相关开发过程中，有关结构设计方面的工作主要包括配管设计、 风机风道匹配和钣金件设计。其中，风机风道和钣金件结构的适用性相对较强，一 套风机风道系统和钣金件可以被多款机型共同使用，因此结构设计的主要任务体现 为配管的设计4。 对于压缩机及管路耦合系统而言，除压缩机运行传递的机械振动之外，管道内 的压力脉动对管路的振动也有较大影响，特别是在充满液体的管道中，压力脉动和 机械振动往往会产生强烈的耦合效应，这种效应在活塞式压缩机和离心式压缩机管 路系统中都会明显反应出来5-7。当前家用空调用的小型压缩机一般为滚动转子式或 涡
15、旋式压缩机，管路中的制冷剂一般为气态或气液混合，且液态形式的制冷剂比重 很小，产生的压力脉动很有限，因此一般在家用空调整体振动分析中忽略压力脉动 的影响。 如果配管设计不得当，管路系统的固有频率与压缩机激振力的基频或倍频相接 近，管路将产出强烈的共振，由振动引起的交变应力容易对管路产出极大的损伤， 从而缩短管路的使用寿命，严重时会发生裂管甚至断管等恶性事故。同时由振动引 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 发的噪音也比较严重，这些问题都会极大的影响产品性能和质量。因此设计的配管 必须经过测试检测才能投入使用，目前一般合格的产品需要
16、经过配管设计、样机测 试、配管设计方案整改、样机再测试等反复多次才能达到预期效果。而空调产品的 种类越多，压缩机的类型和型号也越多，不同的压缩机对于同一套管路一般是不能 共用的。因此开发出针对于空调压缩机及其管路系统振动分析专业的仿真平台，可 以有助于快速检测和改进配管设计，对于缩短开发周期和降低开发成本有着非常重 要的意义。 1.2 研究现状 目前的家用空调和小型商业空调都使用到了小型制冷压缩机， 其中以滚动转子式 和涡旋式压缩机占主导地位。对空调室外机而言，不同种类或型号的压缩机产生的 振动激励不同，特别是当今热门的变频压缩机，其转速的变化使得其激振成分更加 多样化，一般各机型之间的管路形状不能相互套用，室外机管路的匹配也成为开发 新机型的主要研究内容之一。由于此项研究与产品很接近，因此国内主要是各空调 厂商都对此进行了一些研究。 广东美的的卢剑伟利用 ANSYS 对室压缩机及其管路系统建立分析模型， 使用实验 的手段确定压缩机的激励大小，综合考虑了
