高旭峰,張啟炯,吳美霞,鄭華生,任 輝

(武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

基于有限元理論具有自主清潔功能家用空調(diào)的模態(tài)分析

高旭峰,張啟炯,吳美霞,鄭華生,任 輝

(武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

根據(jù)所設(shè)計的具有自清潔功能等的家用空調(diào)，分析其模態(tài)，確定所設(shè)計結(jié)構(gòu)的可靠性，本文以PROE建模，并結(jié)合有限元軟件對所設(shè)計的空調(diào)自清潔機(jī)構(gòu)的濾網(wǎng)刷的前5階模態(tài)振型進(jìn)行分析，分析后結(jié)果顯示1階振型為濾網(wǎng)刷在水平面內(nèi)圍繞軸線扭轉(zhuǎn)振動，頻率為0.55834Hz；2階、3階、4階、5階的振型與第1階類似，且頻率分別為1.109 5Hz，1.110 7Hz，2.251 9Hz,2.254 4Hz,濾網(wǎng)刷的旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)定為0.5Hz,其第1階固有頻率為0.558 34Hz，這就加大了濾網(wǎng)刷的振幅，在濾網(wǎng)刷工作時是利用偏心輪對濾網(wǎng)刷的偏心作用清潔空調(diào)濾網(wǎng)上的灰塵，當(dāng)達(dá)到共振振幅最大時，清理效果最好。為自清潔空調(diào)的設(shè)計研發(fā)提供理論支持。

有限元；模態(tài)分析；可靠性；空調(diào)自清潔；振動

家用空調(diào)在日常使用過程中無法避免的會在空調(diào)內(nèi)部過濾網(wǎng)積累大量灰塵,當(dāng)過濾網(wǎng)、蒸發(fā)器和送風(fēng)系統(tǒng)上積聚大量灰塵、污垢時，產(chǎn)生大量的細(xì)菌、病毒。這些有害物質(zhì)隨著空氣在室內(nèi)循環(huán)，污染空氣，傳播疾病，嚴(yán)重危害人體健康。本文根據(jù)所設(shè)計的具有自清潔功能等的家用空調(diào)，分析其模態(tài)，已確定所設(shè)計結(jié)構(gòu)的可靠性，在各種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于設(shè)計初試的不準(zhǔn)確不合適，從而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中自身振動過大造成的結(jié)構(gòu)失效已經(jīng)成為影響產(chǎn)品可靠性的重要原因。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段，依據(jù)工程力學(xué)理論，借助大型商業(yè)化有限元分析軟件對產(chǎn)品進(jìn)行動力學(xué)響應(yīng)分析，可以及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中存在的問題，在產(chǎn)品試制之前進(jìn)行有效的整改，可以大大加快新產(chǎn)品研發(fā)周期，保證產(chǎn)品的工作可靠性[1]。

一、自清潔空調(diào)濾網(wǎng)刷的有限元模型建立

空調(diào)自清潔機(jī)構(gòu)的核心部分是內(nèi)部帶有偏心輪的濾網(wǎng)除塵刷，且在該濾網(wǎng)刷內(nèi)部自帶電機(jī)，并伴隨自身的偏心轉(zhuǎn)動，以達(dá)到良好的清除灰塵的目的，在豎直方向上采用絲桿螺母副進(jìn)行傳動，絲杠由另一電機(jī)驅(qū)動，運(yùn)行規(guī)律是濾網(wǎng)刷自身進(jìn)行偏心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，將這一水平位置空調(diào)過濾網(wǎng)上的灰塵清理以后停止運(yùn)行，再由絲桿電機(jī)驅(qū)動濾網(wǎng)部件在豎直方向移動到另一塊空調(diào)過濾網(wǎng)的位置，在重復(fù)之前的濾網(wǎng)橫向運(yùn)動，如此反復(fù)便將空調(diào)過濾網(wǎng)上的灰塵清理干凈在建立有限元模型時[2]。本文采用PROE先建立空調(diào)自清潔機(jī)構(gòu)的三維模型，該機(jī)構(gòu)主要包括絲桿螺母副一對，濾網(wǎng)刷一個，濾網(wǎng)刷驅(qū)動電機(jī)2個和絲桿螺母驅(qū)動電機(jī)2個，將整個結(jié)構(gòu)的各部件模型建立好，并將其裝配，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示，裝配后的三維模型如圖2所示[3]。

在進(jìn)行模態(tài)分析時本文主要對濾網(wǎng)刷進(jìn)行前5階模態(tài)分析，濾網(wǎng)刷的材料為Q235鋼，則定義模型的參數(shù)為：密度ρ =7.8×103kg/m3，彈性模量E=2.01×1011Pa，泊松比μ= 0.3。所以從Pro/E導(dǎo)入的實(shí)體模型類型為體，并在ANSYS中也將單元類型定義為模態(tài)分析單元SOLID92 ，設(shè)定單元網(wǎng)格尺寸為2，因?yàn)闉V網(wǎng)刷模型結(jié)構(gòu)簡單不復(fù)雜，所以劃分網(wǎng)格方式為自由劃分，最終所得有限元模型單元數(shù)為189749，節(jié)點(diǎn)數(shù)為264560，網(wǎng)格質(zhì)量較好[4，5]。濾網(wǎng)刷網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 空調(diào)自清潔機(jī)構(gòu)裝配示意圖

圖3 濾網(wǎng)刷網(wǎng)格模型

表1 濾網(wǎng)刷模態(tài)分析計算結(jié)果

圖4 濾網(wǎng)刷1階振型

圖5 濾網(wǎng)刷2階振型

圖6 濾網(wǎng)刷3階振型

圖7 濾網(wǎng)刷4階振型

圖8 濾網(wǎng)刷5階振型

二、模態(tài)分析

在進(jìn)行濾網(wǎng)刷的模態(tài)分析時，本文主要采用分塊蘭索斯(Block Lanczos)法，并設(shè)定提取濾網(wǎng)刷有限元模型的前5階非剛體模態(tài)，分析時所定義的邊界條件為在11號和20號面添加X,Y,Z方向的位移全約束，并對這兩個面加載Y，Z方向的轉(zhuǎn)動全約束，即濾網(wǎng)刷兩軸只能在X方向做轉(zhuǎn)動，這樣設(shè)置滿足實(shí)際運(yùn)行條件，其目的在于保證所提取模態(tài)信息的準(zhǔn)確性[6]。邊界條件設(shè)定完成，即可進(jìn)行求解，求解結(jié)果如圖4-圖8，分別為濾網(wǎng)刷1階振型、2階振型、3階振型、4階振型、5階振型圖。

通過圖4-圖8可觀察到濾網(wǎng)刷的前5階模態(tài)振型特征：1階振型為濾網(wǎng)刷在水平面內(nèi)圍繞軸線扭轉(zhuǎn)振動，頻率為0.558 34Hz；2階、3階、4階、5

階的振型與第1階類似，且頻率分別為1.109 5Hz，1.110 7Hz，2.251 9Hz,2.254 4Hz,濾網(wǎng)刷的旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)定為0.5Hz,其第1階固有頻率為0.558 34Hz，這就加大了濾網(wǎng)刷的振幅，在濾網(wǎng)刷工作時是利用偏心輪的對濾網(wǎng)刷的偏心作用清潔空調(diào)濾網(wǎng)上的灰塵，當(dāng)達(dá)到共振振幅最大時，清理效果最好[7]。

三、結(jié)語

利用軟件PROE與ANSYS之間的接口,將空調(diào)自清潔濾網(wǎng)刷的三維模型導(dǎo)入有限軟軟件ANSYS并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分加載求解，通過對實(shí)際工況下對濾網(wǎng)刷前5階固有頻率的計算分析得到第1階固有頻率為0.558 34Hz，當(dāng)達(dá)到共振振幅最大時，清潔效果最好。為自清潔功能空調(diào)的設(shè)計研發(fā)提供了可靠的理論支持。

[1]賈延旭,張鎖懷,蔣賢龍，等.基于ANSYS帶預(yù)緊力拉桿轉(zhuǎn)子模態(tài)分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,(5):148～151.

[2]高東強(qiáng),張希峰.基于ANSYS Workbench的測量儀立柱動態(tài)特性分析及優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化,2014,(19):128～130.

[3]袁世先,邵堃.利用 ANSYS 模態(tài)分析的組合式圓振動篩降噪研究[J].現(xiàn)代制造工程,2014,(3):123～127.

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[6]潘紅軍,薄瑞峰,沈興全，等.T2120深孔鉆鏜床床身的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)床與液壓,2014,(9):77～80.

[7]張躍明,岳麗花,牟宏明，等.刀庫ATC505弧面凸輪有限元分析與研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2014,(11):173～176.

2095-4654(2015)05-0028-03

2015-02-05

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201310488010)

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