CN109002652A - 一种空调室外机的模态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种室外机的模态分析方法，涉及空调技术领域。本发明包括：建立空调器室外机整机三维实体模型；根据所述三维实体模型建立有限元模型；将所述有限元模型导入有限元分析软件，提交计算；待计算完成，获取所述激励频率范围内的模态有效质量分数，提取其中所有大于预定义阈值的模态有效质量分数；计算所述提取的大于预定义阈值的模态有效质量分数之和M；若M＜90％，则重新设定所述模态阶数；若M≥90％，则分析完毕，根据所述提取的大于预定义有效质量分数阈值的模态有效质量分数确定屏蔽点。本发明大大减小了频率屏蔽点数目，也可以指导系统人员精确设定屏蔽点实现跳频，大大提高空调的舒适性。

Description

一种空调室外机的模态分析方法

技术领域

本发明涉及空调器技术领域，特别涉及一种空调室外机的模态分析方法。

背景技术

随着全球气候的逐渐变暖和生活水平的提高，空调正逐渐成为生活的必需品，在日常生活中的地位日趋重要。空调的振动和噪声控制问题历来受到空调制造商和研究者的关注。人们对生活水平要求和个人居住环境的改善日益提高，对中高档空调的噪声要求越来越严格。近年来小型中央空调的迅速发展以及变频空调的研发，使空调器的制冷量趋势越来越大，同时压缩机和配管系统以及空调整机的振动和噪声水平逐渐变大，其振动和噪声控制问题显得尤为重要。

通过对空调进行模态分析，可以知道产品的动力学特性，从而避开产品的固有频率，有效减少产品的共振情况。但是一方面，人们对空调配管系统的振动研究得比较多，而对空调整机的振动研究得比较少，这将会漏掉整机振动的部分模态；另一方面，在常规的模态分析中，人们只计算出产品的固有频率，而没有考虑每阶模态对产品振动的贡献量大小，从而在设计系统屏蔽点时具有盲目性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种空调室外机的模态分析方法，采用模态有效质量分数的概念，对空调整机进行模态分析仿真，可以得到室外机在真实工作状态下的所有模态，并且能精确选出对整机振动贡献大的模态，从而剔除那些对整机振动贡献微不足道的模态。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种空调室外机的模态分析方法，包括如下步骤：

建立空调器室外机整机三维实体模型；

根据所述三维实体模型建立有限元模型，包括：将所述三维实体模型导入有限元建模软件，进行材料参数设定、单元属性选取、网格划分、零部件连接、载荷与约束条件的施加、变频压缩机的激励频率范围的设定、需要求解的模态阶数的设定和求解控制卡片的设定，得到所述空调室外机整机有限元模型；

将所述有限元模型导入有限元分析软件，提交计算；

待计算完成，获取所述激励频率范围内的模态有效质量分数，提取其中所有大于预定义阈值的模态有效质量分数；

计算所述提取的大于预定义阈值的模态有效质量分数之和M；若M＜90％，则重新设定所述模态阶数，并根据重新设定后的有限元模型提交计算、提取所有大于预定义阈值的模态有效质量分数并计算M值；

若M≥90％，则分析完毕，根据所述提取的大于预定义有效质量分数阈值的模态有效质量分数确定屏蔽点。

较佳的，所述建立空调器室外机整机三维实体模型后，还包括，进行零件的组装和干涉检查。

较佳的，所述空调室外机包括钣金件、泵脚螺栓、橡胶减震圈、风叶和电机，其中，所述钣金件采用壳单元属性，所述泵脚螺栓和所述橡胶减震圈采用实体单元属性，所述风叶和所述电机采用质量点属性。

较佳的，所述空调室外机中，螺纹和焊接连接采用刚性单元。

较佳的，网格划分在所述零部件连接之前进行，所述网格划分后进行网格质量进行检查，判断所述网格质量是否满足计算要求；不满足计算要求则对网格进行优化，直到所述网格满足计算要求后，进行零部件连接。

较佳的，所述约束条件施加对底脚螺钉孔处的所有自由度进行固定，采用兰索士法进行固频分析。

较佳的，所述求解控制卡片采用正则模态分析，并在后处理结果文件中输出振型。

较佳的，所述得到所述空调室外机整机有限元模型之后、所述将所述有限元模型导入有限元分析软件之前，还包括：

将所述有限元模型输出为BDF二进制文件，并对所述BDF二进制文件进行优化，使其在结果文件中输出模态有效质量分数。

较佳的，所述预定义数阈值为5％。

较佳的，所述有限元分析软件采用Nastran软件进行求解计算。

相对于现有技术，本发明所述的一种空调室外机的模态分析方法具有以下优势：

本发明所述的一种空调室外机的模态分析方法，以模态有效质量分数为切入点，重点寻找对振动响应贡献大的几阶模态，舍弃了整机其余阶的固有频率，抓大放小，快速找到室外机振动噪音大的根源，并提醒对振动噪音大的根源进行补强。一方面大大减小了频率屏蔽点数目，另一方面指导系统人员精确设定屏蔽点实现跳频，大大提高空调的舒适性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的空调室外机的模态分析方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种空调室外机的模态分析方法，基于计算机辅助工程(CAE)，利用有限元仿真技术，对空调室外机运转过程中的模态进行分析，具体实施步骤为：

一种空调室外机的模态分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:建立空调器室外机整机三维实体模型；

此处采取实体建模软件Creo中对行室外机整机零部件的建模，三维实体模型中的去除掉部分包括小工艺孔、小倒角、小圆角以及其他对仿真结果影响不大的细小特征，主要包括所有小于2mm的倒角和圆角，所有尺寸小于1mm的工艺孔，以及其他关键部位对仿真结果影响不大的细节特征，最终得到整机三维实体模型。需要说明的是，此处也可以采用其他三维实体建模软件，诸如：UG，Proe，Solidworks等，但前提是三维实体模型的格式需要得到有限元建模软件的支持，因此，有限元建模软件不支持的三维实体模型的格式通常需转换为通用的格式，比如：Stp，X_t格式。

S2:根据所述三维实体模型建立有限元模型，包括：将所述三维实体模型导入有限元建模软件，进行材料参数设定、单元属性选取、网格划分、零部件连接、载荷与约束条件的施加、变频压缩机的激励频率范围的设定、需要求解的模态阶数的设定和求解控制卡片的设定，得到所述空调室外机整机有限元模型；

通常情况下，有限元分析软件大多数具有一定的有限元前处理功能，如：Ansys,Abaqus，MSC.Marc等，可以实现有限元模型的建立，此处采用Hypermesh软件进行有限元模型的建立，材料采用线弹性材料进行模拟，并输入弹性模量、泊松比、密度。S2步骤中材料参数设定、单元属性选取、网格划分、零部件连接、载荷与约束条件的施加、变频压缩机的激励频率范围的设定、需要求解的模态阶数的设定和求解控制卡片的设定等操作的先后顺序可以调整，任何对S2中操作的先后顺序进行改变的技术方案均属于本发明所保护的范畴。

S3:将所述有限元模型导入有限元分析软件，提交计算；

为了提高计算效率，此处，我们可选的将所述有限元模型导入专用的有限元分析软件，这里所述的有限元分析软件可以与前述的有限元建模软件属于同一款软件，前提是所述有限元分析软件可以实现本发明所述的模态分析。

S4:待计算完成，提取所述激励频率范围内的模态有效质量分数M_ij，其中，M_ij大于预定义有效质量分数阈值；待计算完成，获取所述激励频率范围内的模态有效质量分数，提取其中所有大于预定义阈值的模态有效质量分数。

作为一个无阻尼多自由系统，此处将描述所述空调室外机特征的运动方程组用矩阵形式表示为：

M表示所述空调室外机的质量矩阵，K表示所述空调室外机的刚度矩阵，表示所述空调室外机的加速度向量，x表示所述空调室外机的位移向量，F(t)表示所述空调室外机的载荷矢量。

该方程的特征方程为：

(K-ω²M)φ＝0

Ω为所述空调室外机的各阶频率，Φ为所对应的各阶振型，第i阶模态在自由度j(j＝1,2,3…，6)上的模态参与因子为：

式中，

L＝φ^TMγ；m＝φ^TMφ；

L表示空调室外机的单位静位移使各个质点产生的位移；γ为影响矩阵，m为对角化的模态质量矩阵。第i阶模态在自由度j上的有效模态质量分数为：

每一阶模态的广义质量和有效质量都是不相同的，每阶模态都有自己的有效质量，通过模态有效质量可以判定各阶模态的“重要性”：模态有效质量越大，越重要。在平动方向上，各方向所有模态的有效质量之和等于系统总质量；在转动方向上，有效模态质量之和等于系统总转动惯量。各阶模态的有效模态质量系数为有效模态质量与系统总质量或系统总转动惯量的比值。有效模态质量越大，越容易被基础激励，即发生共振。因此，某阶模态的有效模态质量分数直接反映了该阶模态对整个空调室外机结构的贡献大小。

S5：计算所述提取的大于预定义阈值的模态有效质量分数之和M；若M＜90％，则重新设定所述模态阶数，并根据重新设定后的有限元模型提交计算、提取所有大于预定义阈值的模态有效质量分数并计算M值。

此处预设模态阶数，这里先设定模态阶数为一阶，如果一阶模态时的M＜90％，则重新设定模态阶数为二阶；如果二阶模态时的M＜90％，则重新设定模态阶数为三阶；如果三阶模态时的M＜90％，则重新设定模态阶数为四阶；并依次类推，直至M≥90％。

此处，观察分析结果，找到激励频率范围内模态有效质量分数大于5％的模态，这些模态为系统需要屏蔽的频率点。同时计算总有效质量分数，若M＜90％，则修改有限元模型，重新设定模态求解阶数，再次进行计算，继续寻找激励频率范围内模态有效质量分数大于5％的模态，直至总模态有效质量分数之和大于90％，输出分析报告，分析完毕。

S6：若M≥90％，则分析完毕，根据所述提取的大于预定义有效质量分数阈值的模态有效质量分数确定屏蔽点。

步骤S2中，预设激励频率的范围时，可以先通过实验获取空调室外机的共振频率的大致范围，并由此确定激励频率的范围。通过有限元仿真分析，获取大于预定义有效质量分数阈值的模态有效质量分数，当这些大于预定义有效质量分数阈值的模态有效质量分数之和大于90％时，说明当前的有限元模型能够较好地反映空调器室外机的实际情况，因此，可以根据此时的有限元模型来确定空调运行需要屏蔽的频率点(即屏蔽点)。从而，能够减小屏蔽点的数量。

这样设置的好处在于，以模态有效质量分数为切入点，重点寻找对振动响应贡献大的几阶模态，舍弃了整机其余阶的固有频率，抓大放小，快速找到室外机振动噪音大的根源，并提醒对振动噪音大的根源进行补强。一方面大大减小了频率屏蔽点数目，另一方面指导系统人员精确设定屏蔽点实现跳频，大大提高空调的舒适性。

较佳的，所述建立空调器室外机整机三维实体模型后，还包括，进行零件的组装和干涉检查。

较佳的，所述空调室外机包括钣金件、泵脚螺栓、橡胶减震圈、风叶和电机，其中，所述钣金件采用壳单元属性，所述泵脚螺栓和所述橡胶减震圈采用实体单元属性，所述风叶和所述电机采用质量点属性。

较佳的，所述空调室外机中，螺纹和焊接连接采用刚性单元。

需要说明的是，网格质量达标后，对零部件进行连接，室外机整机主要为螺纹和焊接连接，仿真中采用RBE2单元(刚性单元)进行模拟。

较佳的，网格划分在所述零部件连接之前进行，所述网格划分后进行网格质量进行检查，判断所述网格质量是否满足计算要求；不满足计算要求则对网格进行优化，直到所述网格满足计算要求后，进行零部件连接。目的在于提高计算速度，减少计算机利用率。

较佳的，所述约束条件施加对底脚螺钉孔处的所有自由度进行固定，采用兰索士法进行固频分析。

本发明中模拟的是外机实际使用过程中的振动情况，因此约束为固定底脚螺钉孔处的所有自由度。采用兰索士法(Lanczos)进行固频分析，因此用数据卡EIGRL设置载荷，卡片中输入变频压缩机的激励频率上限和需要求解的模态阶数。

较佳的，所述求解控制卡片采用正则模态分析，并在后处理结果文件中输出振型。

需要说明的是，所述求解控制卡片需要设置3个卡片。第一个为SOL卡片，将分析选项设定为Normal Modes(正则模态分析)。第二个为GLOBAL_OUTPUT_REQUEST卡片，设置DISPLACEMENT＝ALL，从而在后处理结果文件中输出振型。第三个为PARAM卡片，设置POST＝-1。

较佳的，步骤S2与步骤S3之间还包括：

将所述有限元模型输出为BDF二进制文件，并对所述BDF二进制文件进行优化，使其在结果文件中输出模态有效质量分数。

本申请在所有设置完成后，输出BDF二进制文件，用记事本打开，在CEND后面一行，输入MEFFMASS(ALL)＝YES，该语句是为了在结果文件中输出模态有效质量分数，修改保存完毕后将BDF文件提交Nastran进行求解计算。

较佳的，所述有限元分析软件采用Nastran软件进行求解计算。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空调室外机的模态分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立空调器室外机整机三维实体模型；

根据所述三维实体模型建立有限元模型，包括：将所述三维实体模型导入有限元建模软件，进行材料参数设定、单元属性选取、网格划分、零部件连接、载荷与约束条件的施加、变频压缩机的激励频率范围的设定、需要求解的模态阶数的设定和求解控制卡片的设定，得到所述空调室外机整机有限元模型；

将所述有限元模型导入有限元分析软件，提交计算；

待计算完成，获取所述激励频率范围内的模态有效质量分数，提取其中所有大于预定义阈值的模态有效质量分数；

计算所述提取的大于预定义阈值的模态有效质量分数之和M；若M＜90％，则重新设定所述模态阶数，并根据重新设定后的有限元模型提交计算、提取所有大于预定义阈值的模态有效质量分数并计算M值；

若M≥90％，则分析完毕，根据所述提取的大于预定义有效质量分数阈值的模态有效质量分数确定屏蔽点。

2.根据权利要求1所述的空调室外机的模态分析方法，其特征在于，所述建立空调器室外机整机三维实体模型后，还包括，进行零件的组装和干涉检查。

3.根据权利要求1所述的空调室外机的模态分析方法，其特征在于，所述空调室外机包括钣金件、泵脚螺栓、橡胶减震圈、风叶和电机，其中，所述钣金件采用壳单元属性，所述泵脚螺栓和所述橡胶减震圈采用实体单元属性，所述风叶和所述电机采用质量点属性。

4.根据权利要求1所述的空调室外机的模态分析方法，其特征在于，所述空调室外机中，螺纹和焊接连接采用刚性单元。

5.根据权利要求1所述的空调室外机的模态分析方法，其特征在于，网格划分在所述零部件连接之前进行，所述网格划分后进行网格质量进行检查，判断所述网格质量是否满足计算要求；不满足计算要求则对网格进行优化，直到所述网格满足计算要求后，进行零部件连接。

6.根据权利要求1所述的空调室外机的模态分析方法，其特征在于，所述约束条件施加对底脚螺钉孔处的所有自由度进行固定，采用兰索士法进行固频分析。

7.根据权利要求1所述的空调室外机的模态分析方法，其特征在于，所述求解控制卡片采用正则模态分析，并在后处理结果文件中输出振型。

8.根据权利要求1所述的空调室外机的模态分析方法，其特征在于，所述得到所述空调室外机整机有限元模型之后、所述将所述有限元模型导入有限元分析软件之前，还包括：

将所述有限元模型输出为BDF二进制文件，并对所述BDF二进制文件进行优化，使其在结果文件中输出模态有效质量分数。

9.根据权利要求1所述的空调室外机的模态分析方法，其特征在于，所述预定义阈值为5％。

10.根据权利要求1所述的空调室外机的模态分析方法，其特征在于，所述有限元分析软件采用Nastran软件进行求解计算。