孫玉波 張 行 郭豪凱

基于ANSYS Workbench的冷凝器組件模態(tài)分析

孫玉波1張 行2郭豪凱2

（1.海軍駐洛陽地區(qū)航空軍事代表室，河南 洛陽 471000；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

基于ANSYS Workbench有限元仿真分析軟件，研究某冷凝器組件的模態(tài)，使機(jī)載產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段就得到相應(yīng)優(yōu)化。這些新技術(shù)的研究和應(yīng)用，對(duì)機(jī)載產(chǎn)品可靠性的提高、開發(fā)周期的縮短和開發(fā)成本的降低等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)；冷凝器組件；ANSYS Workbench；模態(tài)分析

冷凝器組件是機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分［1］。鑒于冷凝器組件在機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)中的作用，其一般安裝在機(jī)艙外部，受其他機(jī)載設(shè)備工作振動(dòng)的影響較大，工作環(huán)境比較惡劣。例如，直升機(jī)機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的冷凝器組件一般安裝在機(jī)艙頂部，受發(fā)動(dòng)機(jī)和主槳工作振動(dòng)的共同影響，對(duì)冷凝器組件的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)性能提出了更高要求。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)冷凝器組件的過程中，加強(qiáng)對(duì)冷凝器組件進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析是一項(xiàng)非常重要的工作。

1 冷凝器組件仿真模型的建立

本文以某直升機(jī)機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的冷凝器組件為研究對(duì)象，利用ANSYS Workbench有限元仿真軟件對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，使冷凝器組件的動(dòng)態(tài)性能在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段就能得到優(yōu)化，從而尋求一種經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)，使其動(dòng)態(tài)性能滿足預(yù)先給定的設(shè)計(jì)要求。冷凝器組件主要由冷凝芯體、冷凝風(fēng)機(jī)、冷凝器殼體和風(fēng)道組成［2］。由于冷凝芯體和冷凝風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)中存在特征比較精細(xì)的翅片和風(fēng)機(jī)扇葉，且冷凝芯體和冷凝風(fēng)機(jī)在試驗(yàn)和使用中極少出現(xiàn)失效的情況，因此，在有限元建模時(shí)將冷凝芯體和冷凝風(fēng)機(jī)作為實(shí)體零件處理。同時(shí)，為了保證仿真分析的可靠性，提高仿真計(jì)算效率，需要對(duì)冷凝器組件的三維數(shù)模進(jìn)行必要簡化，主要為：①去掉尺寸較小的孔、凸臺(tái)及倒角；②適當(dāng)省略小體積或小質(zhì)量的部件；③盡量使產(chǎn)品的質(zhì)量不變，外形尺寸不變，約束配合的面積與關(guān)系不變［3］。

將簡化后的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元仿真分析軟件中，劃分過網(wǎng)格后的有限元模型如圖1。冷凝器組件共有1 281 202個(gè)節(jié)點(diǎn)、732 452個(gè)單元［4］。冷凝器殼體材料為5A02。冷凝器組件有限元模型質(zhì)量為6.12 kg，測量冷凝器組件實(shí)體質(zhì)量為6.36 kg，由于建模過程進(jìn)行了必要簡化，所以冷凝器組件的有限元模型是合理的。

圖1 冷凝器組件有限元模型

2 冷凝器組件的模態(tài)分析

為了分析冷凝器組件的各階固有頻率和其動(dòng)力特性，需要對(duì)冷凝器組件進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析是諧響應(yīng)、隨機(jī)振動(dòng)、響應(yīng)譜等動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)［5］。

按照實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)，對(duì)冷凝器組件與動(dòng)力平臺(tái)地板配合處施加固定約束，通過有限元仿真分析，可以得到冷凝器組件的模態(tài)分析結(jié)果（前6階），如表1所示。

表1 冷凝器組件前6階固有頻率

冷凝器組件的前2階固有頻率分別為341.99Hz、902.46Hz，其對(duì)應(yīng)的前2階模態(tài)振型分別如圖3（a）、圖3（b）所示。冷凝器組件機(jī)上安裝位置振動(dòng)頻率影響范圍為10～500Hz［6］，從上述分析可知，只有第1階固有頻率處于振動(dòng)頻率影響范圍之內(nèi)。由圖3（a）可知其振動(dòng)方向?yàn)檠乩淠鹘M件安裝方向的Y向，因此，在振動(dòng)試驗(yàn)中需要特別關(guān)注冷凝器組件沿Y向的振動(dòng)［7］。

3 結(jié)語

通過應(yīng)用ANSYS Workbench有限元仿真分析軟件對(duì)機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)用冷凝器組件進(jìn)行模態(tài)分析，得到冷凝器組件的固有頻率和模態(tài)振型，找出冷凝器組件設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)。在機(jī)載產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，通過有限元仿真分析對(duì)機(jī)載產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化。這些新技術(shù)的研究和應(yīng)用，對(duì)機(jī)載產(chǎn)品可靠性的提高、開發(fā)周期的縮短和開發(fā)成本的降低等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖3 前2階模態(tài)振型

［1］壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［2］張行，劉德平，陶征.基于ANSYS Workbench的CX8075加工中心關(guān)鍵零部件動(dòng)態(tài)性能研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（7）：146-148.

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［4］張呈林，郭才根.直升機(jī)總體設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［5］葉先磊，史亞杰.ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［6］闕雄才，陳江平.汽車空調(diào)實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［7］李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化.［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

Modal Analysis of Condenser Based on ANSYS Workbench

Sun Yubo1Zhang Hang2Guo Haokai2
（1.Aeronautical Military Representative Office of Navyin Luoyang，Luoyang Henan 471000；2.Avic Xinxiang Aviation Industry(Group)Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453049）

Based on ANSYS Workbench finite element simulation software,the modal of a condenser compo?nent was studied,so that the dynamic performance of the airborne products could be optimized in the de?sign stage.The application of these new methods not only improves the working capability of the new con?denser，but also reduces the development costs and development cycle of the new production.

ACS；condenser；ANSYS Workbench；modal analysis

TB65

A

1003-5168（2017）10-0045-02

2017-09-01

孫玉波（1977-），男，碩士，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。