張克鵬

一、概述

空調(diào)制冷系統(tǒng)中的毛細(xì)管屬于節(jié)流裝置，是壓縮制冷循環(huán)中不可或缺的基本部件。其作用是降低液態(tài)制冷劑的壓力和溫度，調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量，連接于冷凝器與蒸發(fā)器之間。家用空調(diào)很多選用毛細(xì)管作為節(jié)流裝置，是因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。一般是由一根內(nèi)徑0.5mm-2mm，長(zhǎng)度0.5m-3m的紫銅管構(gòu)成?？照{(diào)在運(yùn)行過(guò)程中，由于壓縮機(jī)工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生激振現(xiàn)象，隨即傳遞到與之相連的整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)管路中，長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)對(duì)毛細(xì)管等部件產(chǎn)生機(jī)械強(qiáng)度和疲勞損壞，作為空調(diào)系統(tǒng)重要部件之一，需要對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行振動(dòng)方面研究，提高使用性能。

本文利用HyperMeSh建立某空調(diào)毛細(xì)管總成的有限元模型，利用HyperWorks仿真平臺(tái)有限元求解器OptiStruct對(duì)毛細(xì)管總成加固前后兩種模型方案進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)照Gm 150.16-1986標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)快試曲線頻譜對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)譜分析。根據(jù)加固前后方案的對(duì)比分析結(jié)果，判定設(shè)計(jì)方案的可靠性和合理性。

二、毛細(xì)管總成的有限元模型建立

通過(guò)SohdWorks建立加固前后毛細(xì)管總成的三維實(shí)體模型，如圖1所示。為便于有限元前處理，將模型導(dǎo)出為.stp格式。

針對(duì)該空調(diào)毛細(xì)管總成加固前后兩種模型，文章采用主流CAE前處理軟件HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，毛細(xì)管總成所有部件均用六面體單位，單元類型為CHEXA，單元基本尺寸設(shè)為0.6mm。最終毛細(xì)管加固前后有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為66 708和69 245，單元數(shù)分別為88 237和92 541，毛細(xì)管總成（原方案）有限元模型如圖2所示，局部放大圖如圖3所示。

三、毛細(xì)管總成的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。模態(tài)分析也是響應(yīng)譜分析必需的前期分析過(guò)程。對(duì)毛細(xì)管總成進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到其各階次固有頻率的大小和各階次固有頻率下相應(yīng)的振型。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。本次分析采用OptiStruct求解器及分塊Lanczos方法進(jìn)行求解。

1、材料設(shè)定

毛細(xì)管總成的材料為T(mén)P2Y紫銅，計(jì)算中用到的材料屬性如表1所列。

2、約束邊界條件

毛細(xì)管總成兩端分別安裝固定在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的過(guò)濾器和節(jié)后管之間，如圖4黃色虛線框所示，約束兩端節(jié)點(diǎn)的1-6自由度。

3、模態(tài)分析

文章利用HyperWorks平臺(tái)OptiStmct求解器進(jìn)行模態(tài)求解，提取毛細(xì)管總成前10階次固有頻率，使之與壓縮機(jī)激勵(lì)頻率進(jìn)行對(duì)比，該機(jī)型壓縮機(jī)激勵(lì)頻率為50Hz。毛細(xì)管總成固定前后方案的模態(tài)頻率值如表2所列。

圖5為固定前毛細(xì)管總成第1-5階次陣型圖，毛細(xì)管固定后方案的陣型與固定前類似，只是頻率數(shù)值不一樣。

毛細(xì)管總成與空調(diào)管路部件前后相連，從模態(tài)分析結(jié)果來(lái)看，固定前后毛細(xì)管的各階次頻率都在100Hz以上，遠(yuǎn)大于壓縮機(jī)激勵(lì)頻率50Hz，且各階次頻率也都不在相關(guān)倍數(shù)頻率之上，所以毛細(xì)管總成不會(huì)發(fā)生與壓縮機(jī)的共振。模態(tài)分析可以對(duì)系統(tǒng)共振頻率進(jìn)行分析和判斷。

四、毛細(xì)管的響應(yīng)譜分析

響應(yīng)譜分析（RSA）是一種用于估計(jì)結(jié)構(gòu)在瞬態(tài)歷程中最大響應(yīng)的分析技術(shù)，可以通過(guò)響應(yīng)譜分析得到結(jié)構(gòu)的最大位移、最大應(yīng)力和最大力。響應(yīng)譜分析技術(shù)結(jié)合了給定動(dòng)載的響應(yīng)譜和模態(tài)分析結(jié)果。響應(yīng)譜描述的是單自由度系統(tǒng)在給定動(dòng)載的最大響應(yīng)和自然頻率之間的關(guān)系。它可以用于計(jì)算每一階模態(tài)下的結(jié)構(gòu)最大模態(tài)響應(yīng)，然后用一些方法組合這些模態(tài)最大響應(yīng)值來(lái)估計(jì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的峰值。相對(duì)于傳統(tǒng)的瞬態(tài)分析，RSA是一種簡(jiǎn)單而且計(jì)算代價(jià)較低的峰值響應(yīng)近似方法。主要計(jì)算量在于獲得足夠的模態(tài)階數(shù)，以表達(dá)輸入激勵(lì)和結(jié)果響應(yīng)的完整頻率段，響應(yīng)譜通常在設(shè)計(jì)規(guī)范中給定。本次分析采用OptiStruct求解器進(jìn)行求解分析。

1、載荷邊界條件

毛細(xì)管加固前后的振動(dòng)試驗(yàn)曲線按照GJB 150.16-1986中圖A8的w曲線頻譜進(jìn)行加載，如圖6所示。其中振動(dòng)頻率范圍為5Hz-500Hz-5Hz，其中掃描一次的時(shí)間為15min，X、Y、Z軸三個(gè)方向各掃描兩次，峰值4.2g。

2、響應(yīng)譜分析

毛細(xì)管總成在受到振動(dòng)加速度載荷時(shí)，因毛細(xì)管與過(guò)濾器和節(jié)后管均為金屬件，且都是剛性連接，振動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，受破壞的風(fēng)險(xiǎn)較大。圖7-9為加固前后毛細(xì)管總成在圖6振動(dòng)激勵(lì)下的應(yīng)力云圖。

從計(jì)算分析結(jié)果來(lái)看，加固前施加X(jué)向振動(dòng)時(shí)，毛細(xì)管上最大應(yīng)力為29.2MPa，在毛細(xì)管與過(guò)濾器連接處，加固后施加x向振動(dòng)時(shí)，套管上最大應(yīng)力為9.3MPa，在套管與過(guò)濾器連接處。加固前施加r向振動(dòng)時(shí)，毛細(xì)管上最大應(yīng)力為13.6MPa，在毛細(xì)管與過(guò)濾器連接處，加固后施加r向振動(dòng)時(shí)，套管上最大應(yīng)力為4.5MPa，在套管直管處。加固前施加Z向振動(dòng)時(shí)，毛細(xì)管上最大應(yīng)力為25.3MPa，在毛細(xì)管與過(guò)濾器連接處，加固后施加Z向振動(dòng)時(shí)，套管上最大應(yīng)力為11.8MPa，在套管與過(guò)濾器連接處。加固前后具體最大應(yīng)力對(duì)比情況如表3所列，加固后各方向振動(dòng)時(shí)毛細(xì)管上的最大應(yīng)力均有所改善。

五、結(jié)論

文章以某空調(diào)毛細(xì)管總成為研究對(duì)象，運(yùn)用SolidWorks建立了幾何模型，利用HyperMesh建立有限元模型，在此基礎(chǔ)上，用OpfiStruct求解器進(jìn)行模態(tài)分析和響應(yīng)譜分析。分析表明，毛細(xì)管總成加固前后兩種方案固有頻率未與壓縮機(jī)激勵(lì)頻率存在共振。對(duì)兩種方案根據(jù)GJB 150.16-1986振動(dòng)試驗(yàn)曲線進(jìn)行響應(yīng)譜分析，最大應(yīng)力均為超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，加固方案各方向最大應(yīng)力均有所改善。