劉豆豆 饒洋平 夏培均 唐榮華 李越峰

（四川長(zhǎng)虹空調(diào)有限公司 綿陽 621000）

引言

空調(diào)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)空氣從進(jìn)風(fēng)口被吸入，通過濾網(wǎng)過濾，經(jīng)過蒸發(fā)器換熱，隨后通過風(fēng)扇引流，氣流從出風(fēng)口吹出，從而控制房間溫度?？照{(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，空氣中的灰塵、雜物附著在過濾網(wǎng)或蒸發(fā)器上，對(duì)空調(diào)的制冷、制熱、噪音及用戶的健康影響較大，尤空調(diào)在長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)后需要對(duì)空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)件進(jìn)行清洗。通過機(jī)械理論設(shè)計(jì)及專利規(guī)避分析，設(shè)計(jì)出空調(diào)進(jìn)風(fēng)口運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)解決灰塵雜物對(duì)空調(diào)性能的干擾，提高空調(diào)性能。

本文先通過三維軟件對(duì)進(jìn)風(fēng)口封閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，初步確定封閉機(jī)構(gòu)方案，再通過有限元軟件對(duì)初步方案進(jìn)行仿真分析判斷方案的可行性并進(jìn)行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1 動(dòng)力學(xué)仿真理論

多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是多剛體系統(tǒng)和多柔性系統(tǒng)的組合，是在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來研究多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科。半個(gè)世紀(jì)以來，多體動(dòng)力學(xué)仿真主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展時(shí)期：①2000 年之前主要是對(duì)部件的結(jié)構(gòu)及連接進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)期；②21 世紀(jì)前 10 年，主要為多體系統(tǒng)（包含結(jié)構(gòu)、材料屬性及控制元件的整體系統(tǒng)）仿真時(shí)期；③今后多體動(dòng)力學(xué)主要朝著多體產(chǎn)品仿真時(shí)期轉(zhuǎn)變，仿真技術(shù)更加成熟和完善[1,2]。因此，在多體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)空調(diào)進(jìn)風(fēng)口運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行多體動(dòng)力分析，判斷機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可行性。

2 空調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維建模

由于有限元軟件建模的局限性，一般情況下采用專業(yè)三維軟件對(duì)空調(diào)整機(jī)進(jìn)行三維建模，本次研究中在前端三維軟件中完成空調(diào)進(jìn)風(fēng)口運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)建模，以.stp格式或以.x_t格式進(jìn)行保存，并導(dǎo)入后端有限元分析軟件，因有限元分析的基本概念就是將復(fù)雜的物理對(duì)象進(jìn)行離散化，采用基于子域的試函數(shù)描述，通過對(duì)所有子域誤差的加權(quán)集成處理來建立整體系統(tǒng)的分析方程，再充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值處理能力，就可以對(duì)任意復(fù)雜模型的問題進(jìn)行數(shù)值求解[3,7]。

因空調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型整體較大，模型特征較為復(fù)雜，為提有限元求解精度，減少求解時(shí)間，需對(duì)空調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后零件包含5片擺葉（擺葉1、擺葉2、擺葉3、擺葉4、擺葉5），2個(gè)連桿（連桿1、連桿2），1個(gè)曲軸，實(shí)際工程中，不同位置零部件的材料均有差異，為保證實(shí)際與仿真分析的一致性，需要對(duì)模型定義材料屬性，擺葉1、擺葉2、擺葉3、擺葉4、擺葉5均設(shè)置ABS材料，連桿1、連桿2、曲軸均設(shè)置POM材料，ABS材料、POM材料物性表，表1所示，空調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元模型，圖1所示。

圖1 空調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元模型

3 邊界同條件設(shè)置

3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)置

空調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿1、連桿2往復(fù)運(yùn)動(dòng)，5片擺葉兩端分別與連桿1、連桿2連接，在2個(gè)連桿的驅(qū)動(dòng)下5片擺葉實(shí)現(xiàn)啟閉功能。為保證與實(shí)際運(yùn)動(dòng)的一致性，有限元轉(zhuǎn)動(dòng)副的設(shè)置中，5片擺葉與連桿1、連桿2之間，曲軸與連桿1之間采用符合實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)（revolute body-body）連接，并且保證每組轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)均為Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)，5片擺葉兩端及中間周轉(zhuǎn)部位、曲軸的端面設(shè)置與地面連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副（ground-revolute），并保證Z向轉(zhuǎn)動(dòng)，分析中可以自定義其他方向?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)方向，但必須保證模型中每組轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)橥晦D(zhuǎn)動(dòng)方向，否則分析會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)的情況，本文分析以Z向?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)為例分析。

3.2 機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析方程式

本文分析采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，理論方程為[8]：

式中：

[M]—質(zhì)量矩陣；

[C]—阻尼矩陣；

[K]—?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

X—位移向量；

F(t)—變載向量。

實(shí)際工程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸帶動(dòng)連桿使5片擺葉呈往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，本文通過在曲軸上設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副（Joints），實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在一個(gè)周期的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，分析帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)所需的最大牽引力矩、位移量及應(yīng)力結(jié)果。

4 仿真結(jié)果及優(yōu)化

4.1 仿真結(jié)果分析

通過有限元仿真軟件分析，結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)空調(diào)進(jìn)風(fēng)口機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)所需牽引力力矩70.56 N·mm，5片擺葉往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度為84.9 °，轉(zhuǎn)角符合設(shè)計(jì)要求，空調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度位置，圖2所示，往復(fù)運(yùn)動(dòng)中連桿1遠(yuǎn)離初始位置最大位移量為16.05 mm，當(dāng)連桿1運(yùn)動(dòng)到最大位置時(shí)，5片擺葉轉(zhuǎn)動(dòng)到最大角度即84.9 °，在此運(yùn)動(dòng)過程中，連桿1轉(zhuǎn)動(dòng)中出現(xiàn)的最大應(yīng)力0.27 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置位于與擺葉5連接的轉(zhuǎn)動(dòng)部位轉(zhuǎn)軸的根部，圖3所示，連桿1的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于零件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 擺葉轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度

圖3 連桿1應(yīng)力云圖

綜上，因連桿1的設(shè)計(jì)壁厚3.5 mm，連桿1應(yīng)力集中主要分布在5個(gè)轉(zhuǎn)軸和孔邊緣，而遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸和孔的位置，應(yīng)力很小幾乎為0，且連桿1運(yùn)動(dòng)中的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于零件設(shè)計(jì)強(qiáng)度，強(qiáng)度過于安全，零件壁厚偏厚，質(zhì)量偏重，成本較高，不符合工程設(shè)計(jì)理念，所以在滿足強(qiáng)度及設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，需要對(duì)連桿1進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行分析。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述分析結(jié)構(gòu)，從減小連桿1的壁厚、去除冗余的材料方向，對(duì)連桿1結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，然后對(duì)空調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)再次進(jìn)行仿真分析，為提高求解精度，減少計(jì)算時(shí)間，本文對(duì)連桿1采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圖4所示，結(jié)果表明：優(yōu)化后，機(jī)構(gòu)牽引力矩為62.4 N·mm，牽引力矩小于原狀態(tài)值70.56 N·mm，圖5所示 ，整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)呈周期性運(yùn)動(dòng)過程中，優(yōu)化后的牽引力矩始終小于原狀態(tài)的牽引力矩，5片擺葉最大轉(zhuǎn)角為84.6 °，與原狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度84.9 °基本相同，優(yōu)化后與原狀每一時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)角度基本一致，圖6所示，轉(zhuǎn)動(dòng)角度滿足設(shè)計(jì)要求，連桿1偏移初始位置的最大位移量17.17 mm，與原狀態(tài)偏移位置基本相同，圖7所示，連桿1轉(zhuǎn)動(dòng)過程中最大應(yīng)力為50.84 MPa，最大應(yīng)力位置位于轉(zhuǎn)軸的根部，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化后連桿1應(yīng)力圖，圖8所示，通過減小連桿壁厚、質(zhì)量，優(yōu)化后連桿設(shè)計(jì)壁厚為2.5 mm，質(zhì)量減少至原狀態(tài)二分之一，導(dǎo)致應(yīng)力增加，其應(yīng)力特征符合理論趨勢(shì)，但最大應(yīng)力仍在材料承受范圍之內(nèi)，強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)要求，圖9為優(yōu)化前后連桿1應(yīng)力幅值，一個(gè)周期的轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)力呈周期性變化。

圖4 連桿網(wǎng)格劃分

圖5 機(jī)構(gòu)牽引力矩對(duì)比

圖6 擺葉轉(zhuǎn)角對(duì)比

圖7 連桿位移對(duì)比

圖8 連桿1應(yīng)力圖

圖9 連桿1應(yīng)力對(duì)比

5 結(jié)論

1）通過有限元仿真分析，可以查看任意時(shí)刻，每個(gè)零部件的應(yīng)力、變形、速度等值，分析得到零部件失效的時(shí)刻及失效部位，根據(jù)變形、應(yīng)力云圖的結(jié)果分布圖可以對(duì)零部件相應(yīng)的位置進(jìn)行加強(qiáng)或減薄處理，能及時(shí)設(shè)計(jì)出零件的最優(yōu)方案；

2）通過有限元仿真分析，得到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，及每個(gè)角度下的驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的力矩?cái)?shù)值，便于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)規(guī)格的選擇；

3）通過分析為零件優(yōu)化提供方向，能夠較快的設(shè)計(jì)出零件最優(yōu)方案，且能快速判斷出零部件失效位置及失效方式，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考意見。