[空调]配管振动仿真优化设计 / 四六文摘

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1　范围

本规范适用于空调器配管件设计。

2　规范性引用文件

GB/T 2298 机械振动与冲击术语

3 常用动力学仿真术语定义：

模态分析：主要用于确定结构或者部件的振动特性，从模态分析得到的结果主要有结构的固有频率和振型。

频率响应分析：频率响应分析主要用来分析结构在稳态振动激励下的响应。在频率响应分析中，激励载荷在频域中显式定义，对应于每一个加载频率，外载荷都是已知的。外载荷可以是力，也可以是强迫运动（位移、速度、加速度）。从频率响应分析得到的结果通常包括单元在不同的频率点的位移、速度、加速度和应力，以及节点随频率变化的位移、速度、加速度和应力曲线。

瞬态响应分析：瞬态响应分析主要用来计算结构随时间变化载荷下的响应，载荷可以是外力，也可以是强迫运动（位移、速度、加速度），从瞬态响应分析得到的结果通常包括单元在不同的时刻点的位移、速度、加速度和应力，以及节点随时间变化的位移、速度、加速度和应力曲线。

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4 动力学响应仿真分析目的及流程

配管动力学响应仿真分析的目的在于分析配管的模态、响应等固有特性，在三维虚拟设计阶段避开空调的激励基频（48Hz、50Hz、60Hz）及其谐频，以实现减振降噪、优化管路设计的目的。在本文中，以UGS NX 的高级仿真模块为分析工具，采用的求解器为NX NASTRAN。解算类型为SEMODES103－Response Simulation，其包含模态分析、频率响应分析和瞬态响应分析。动力学响应仿真分析分析的步骤和流程如下：

建立有限元模型，定义模型的几何属性、材料属性和约束，对于响应仿真，还需要指定施加静态载荷和动态载荷的激励位置。

采用 NX NASTRAN进行求解。在NXNASTRAN选择SEMODES 103 －ResponseSimulation响应仿真求解类型，并指定求解输出的结果如位移和应力等。如果选择的是SEMODES 103，只能对模态进行求解。

模态求解。NX Nastran生成了正则模态，约束模态和附加模态。

（1）创建响应分析。在求解模态之后，创建响应分析流程。

（2）查看模态振型。在后处理导航器查看模态振型，或者在高级仿真导航器的响应仿真细节浏览器中查看。

（3）定义每阶模态的阻尼值。在高级仿真导航器的响应仿真细节浏览器中可以定义粘性或滞后阻尼。

（4）创建一个事件，可以创建响应类型有瞬态，准静态，频率，响应谱或DDAM（动态设计分析法）。它包含了模态模型和激励函数。

（5）创建激励函数。激励定义了响应仿真所需的载荷。

（6）分析响应下的模型动态响应。依据评估的响应类型，软件计算并储存以下形式的结果：

响应函数包含在时间或频率历程下每个响应（如某点的应力），NX 图形区可以绘制这些响应的曲线记录；

响应结果集内包含模型多个节点或单元在某时刻或频率下的响应值。后处理导航器可以显示该类结果。

图1 动力学仿真分析流程

4.1建立有限元模型

4.1.1理想化几何模型

在高级仿真中，进行有限元分析时需要定义几何，材料属性，网格和约束。另外对于响应分析，需要特殊定义激励位置如同定义静态或动态载荷。铜的材料属性：弹性模量＝1.23×E11Pa，泊松比＝0.34，密度＝8.94×E3Kg/m3。在对配管进行分析时，有时回气管是直接连在低压管和压缩机储液罐上的，如果要只是要分析回气管的振动特性，这时就不用分析整个四通阀组件，只分析该回气管就可以了。

为了得到比较理想的网格质量，最好在建模里面先利用分割面工具（）将配管用基准面将配管进行剖分，剖分后的效果如图2：

图2 四通阀组件几何模型

图3 理想化后的几何模型

，将模型进行理想化，去掉一些小特征，或者采用同步建模命令来删除不需要的特征。，其结果如图3。

从理想化模型的状态回到有限元模型的状态，通常会发现中面没有显示，这时可以通过编辑有限元模型的几何体选项将中面加入进来。具体步骤如下：

在仿真航器的有限元文件名上点右键，选择编辑，在弹出的对话框中，选“选择体”，如图4，在图形窗口中框选中所有体并确定。然后在仿真导航器的Polygon Geometry 模型树上将实体特征隐藏，只显示中面特征就可以了。

图4 编辑有限元模型的几何体选项的路径

4.1.2有限元网格划分

网格划分，分别对排气管、回气管低压阀连接管等进行网格划分，采用2D的映射网格对配管进行网格划分，这样可以保证很好的网格质量。

对四通阀划分网格时，先采用2D的映射网格对其进行网格划分，对其个别面无法进行映射网格划分的，再采用自动网格进行划分。

4.1.2.1 修复小面引起的网格不连续

在UG 的机械布管里面进行配管设计时，在U形弯的地方，结构工程师在导圆角时通常会留下一个很小的直线段在那里，比如60的直线段，要导两个R30的圆角，在UG机械部管里导不出来，结构工程师通常会采用R29.9代替，这样就留下了一个0.2mm的直线段，在生成配管后，就产生了一个0.2mm宽的圆环面。

在有限元建模画网格时如果没有选中那个小面，就会出现一个裂缝在那里，如果选中了这个小面，由于其尺寸很小，生成的网格质量也会很差，所以在有限元里面需要将这小面与其相邻的进行合并，使用合并面命令

，将裂缝处的面合并更新网格后的效果如图6。

图5 U形弯处网格断开

图6 合并相邻面后的网格

4.1.2.2网格控制点的设置

为了得到较好的单元质量，最好对配管进行沿着配管的中心线逐段进行剖分，同时在划分网格时，同时在划分网格时，对网格质量较差的局部设定网格种子，对其单元数或者单元的边长进行设定。其操作菜单如图7。

图7 网格种子设置

4.1.2.3单元形状检查

对单元的形状进行检查，可以检查出形状较差的网格，并以指定的颜色标示出失效的单元，同时也可以列表统计出形状较差单元的个数。如果单元形状较差的个数较多，会造成计算结果不收敛，无法得到计算结果。图8为单元形状检查的操作路径，图9为单元形状检查的结果。

图8 单元的形状检查

图9 单元形状检查统计结果列表

4.1.2.4单元法向检查

对单元的法向进行检查，如图10。对四通阀组件，在进行有限元网格划分时，通常采用壳体单元，在使用壳体单元时，一定要使整个四通阀组件的单元的法向一致，单元的法向应都向外或者都向内，否则在进行动态响应分析计算时会造成计算不收敛。对法向不一致的单元，要利用法向反向使其一致。

图10 单元的法向检查和显示

4.1.2.5 检查重复节点

在划分有限元网格后，要对重复节点进行检查，如果存在重复节点，该节点附近的单元是裂开的，没有合并在一起，需要对该重复节点进行合并。

图11 显示和合并重复结点

4.1.2.6 建立RBE2刚性单元

在排气口和回气管与压缩机的连接处创建RBE2刚性单元，以便在进行频率响应和瞬态响应分析时施加振动加速度或者位移等强迫振动激励。具体操作步骤如下：利用建立节点命令在先在配管的端部的圆心处建立一个节点，再点击图标，弹出如下的对话框，形心节点选择刚刚建立的节点，分支节点选择形心对应的边。如图12。

图12 建立RBE2刚性单元

图13 实体属性查询

4.1.2.7实体属性查询

在进行仿真计算时，通常会对四通阀进行适当的简化，为了保证四通阀的有限元网格的质量属性与实际一致，以保证计算的四通阀组件模态和与实际情况更吻合，需要进行对其质量属性进行检查。

在NX高级仿真里面，划分网格后在下拉菜单上点击：信息――高级仿真――实体属性检查可以查询网格的质量属性。

在NX高级仿真里面，直接在仿真导航器的模型树上，在要查询网格的模型树上点鼠标右键选择实体属性，就可以查询到网格的质量属性。操作菜单见图13，图14为四通阀组件划分有限元网格后的有限元模型。

图14 四通阀组件有限元模型

4.2 配管的模态分析仿真

4.2.1新建一个仿真

首先新建一个仿真，在仿真导航器上有限元模型文件名上点鼠标右键，选择新建仿真，在弹出的创建解算方案中，求解器选择NX NASTRAN，解算方案类型选择SEMODES 103 –响应仿真。操作菜单如图15。

图15 新建SEMODES 103 –响应仿真

4.2.2定义配管的焊口连接处的接触

在配管的焊接处，定义粘合接触，具体操作菜单如图16

图16 定义配管焊接处粘合

4.2.3加载模态边界条件

在进行固有模态分析时，将排气管、回气管、低压管和冷凝器接管等端部施加固定约束。在排气管和回气管的端部圆心处（形心节点处）施加强迫运动约束，如图17。图18为整个四通阀组件加载的边界条件。

图17 加载强迫运动作用位置

图18 模态计算的边界条件

图19 激活Subcase－Dynamics

4.2.4模态求解设置

在进行模态分析时，选中Subcase －Dynamics 点右键，激活，再选择编辑解算步骤，设置输出需求（位移、应力等），操作菜单见如图20。

图20 编辑求解方案设定求解要输出的结果

同时还要设定求解输出的模态阶数和求解参数，指定NXNASTRAN求解器的路径和求解时占用内存的大小。在UG NX 6.0中默认的内存大小为400MB，最好把它调到1000MB或者以上，如果不修改内存值，NASTRAN会无法启动。操作菜单见图21。

图21 指定求解的模态阶数和求解器的参数

计算结束后，双击Results进入后处理界面，即可以读取各阶模态的振动频率和振型结果。为了不显示配管的网格，只显示配管的变形后的特征，可以点击命令。在弹出的对话框中，选择边和面，在边的选项里面，选择特征。图22为第1阶频率的振型。

图22 第1阶模态的振形

4.3 预应力模态

如果要考虑冷媒压力（不考率压力脉动）对配管模态的影响，需要计算预应力模态，这时应先激活Subcase －Dynamic 设定好输出需求和输出的模态阶数后，再激活Subcase －Stress Stiffening，再右键点loads 在配管壁面上施加压力载荷，施加载荷时要主要压力的方向，应是向外的。操作菜单见图23。

图23 预应力模态操作界面

通过计算发现冷媒压力对配管的模态的影响不大，在0.5HZ左右，因为压力是沿着配管内表面的法线方向，而配管本身的刚度在这个方向是比较大的，所以静压力对配管的模态影响不大。

4.4 瞬态应分析

在模态分析的基础上进行瞬态响应或者频率响应分析，在仿真导航器的模型数上用鼠标右键点sim文件，在弹出的菜单中选择新建结算方案过程，然后选择响应仿真。操作菜单界面如图24。

图24 建立响应仿真的操作界面

4.4.1设置阻尼参数

在新建的Response Simulation 里面双击Normal Modes，然后将展开响应仿真局部放大图窗口。操作菜单如图25。

图25 展开响应仿真局部放大图

有阻尼情况下，振幅随时间以指数规律衰减，阻尼越大，振幅衰减的越快，振动耗散得也越快。粘性阻尼与速度成正比，结构阻尼与位移成正比。在瞬态响应分析中，结构阻尼（Hysteretic）必须转化为等效的粘性阻尼（Viscous）。在响应仿真局部放大图中，点鼠标右键选择一阶模态，可以对其模态的阻尼因子进行编辑。操作菜单如图26。

图26 编辑阻尼因子

对阻尼因子编辑后，Damped Frequency 会自动进行修改，如图27。有阻尼固有频率与固有频率的关系：

图27 编辑阻尼因子后的各阶模态频率

在仿真导航器中右键点击Response Simulation ，选择新建事件，在弹出的菜单中选择瞬态或者频率，如图28。如果选择瞬态，在加载振动的激励函数时，激励函数是随时间变化的加速度、速度或者位移函数。

图28 新建瞬态响应或者频率响应分析事件

4.4.2 AFU函数属性设置

在施加强迫激励前，要先在XY函数导航器里面把振动的激励测试数据导入进来，振动激励测试数据在导入之前，必须先将其转化为UG NX NASTRAN所支持的数据格式文件，其支持的数据文件格式有：csv、mat、rsp、dac和unv。

在XY函数导航器中，在Associated AFU上点右键新建一个文件如huiqi_x，然后在文件名上点鼠标右键，选择导入，在弹出的对话框中设置要导入的数据的格式和数据属性。

图29 新建AFU文件和导入激励数据对话框

图30 设置导入测试数据的格式和数据属性

在导入数据时，点击选项，弹出如下的对话框：函数类型为时间，间距为等间距，横坐标为时间，纵坐标为加速度或者位移，如图30。如果没有正确的设置，在加载激励时，将无法把数据加载到激励位置的节点上。同时也无法对该数据进行FFT变换，将时域的测试数据转换到频域。

4.4.3激励测试数据的处理

在导入测试数据前，需要对测试的加速激励数据进行滤波处理，如果没有经过滤波，加速度数据经过积分后会一直往上漂。图31是没有经过滤波的加速度数据经过积分后得到的时间速－度曲线。

图31 没有经过滤波的积分后得到的速度曲线

图32 经过8阶高通滤波积分后得到的速度曲线

图32为加速数据经过8阶高通滤波和积分后得到回气x方向的时间――位移曲线，由于刚开始的测试数据没完全稳定，所以取了5～10s比较稳定的测试数据。为了与有限元计算模型中的单位一致，将位移的单位为转化为mm，

4.4.4施加振动位移激励

在仿真导航器的Excitation 上点右键新建激励，选择平移节点的，操作路径如图33，然后在弹出的图34所示的窗口中指定激励的节点，并通过函数管理器来指定X、Y和Z方向的位移激励。图35为XY函数管理器，窗口里面显示的时间――位移函数是前面事先定义好的。所有函数的数据的时间间隔和时间长度必须是一样的，否则加载激励时，会提示数据不一致，不能加载激励。

图33 施加节点平移激励

图34 激励节点的选择和和位移激励的施加

图35 配管振动激励的函数管理器

4.4.5求解评估响应结果

4.4.5.1评估云图结果

在完成前面所有的准备工作后，就可以对四通阀组件进行响应评估求解了。如图36和37，选择评估云图结果――响应，可以输出位移、速度、加速度和应力的结果，在图37中，可以选择从激励函数曲线上选择求解振动激励峰值时刻点，也可以指定求解一段时间内来对响应结果进行求解，如果是指定一段时间，通常指定的时间长度为10～20个周期，如果设定的求解时周期较大，计算结果文件会较大，求解时间也会较长。在图37中，选择的是指定激励的时刻点，图38为从激励函数中指定求解的时刻点。

图36 评估云图响应结果路径

图37 输出结果设置

图38 指定求解的时刻点界面

在图39中双击响应结果中的Displacement 和stress就可以得到分别得到各个时刻点的位移和应力，读取应力结果时通常是选择读取 Von Mises应力的值，在大致了解哪个地方应力比较大后，可以通过评估节点的函数响应来查看在整个激励时间内的所关心的应力较大处的应力随时间变化的情况。

图 39 读取应力结果

4.4.5.2评估函数响应

评估节点函数响应，其操作路径如图40。可以输出的结果为位移、速度和加速度，可以在图41的菜单中的结果栏进行选择，同时定要指定响应的节点，节点的位移和加速度通常是计算所关心的内容。

图40 评估节点的函数响应、

图41 设置输出响应节点的结果

图42为响应求解得到的节点随时间变化的曲线，时间长度为整改激励的加载时间范围，图42中的位移结果单位为mm。

图42 响应节点位移随时间变化的曲线

为了得到节点应力随时间变化的结果，在评估函数响应分析时，选择基本的，如图43所示，参照前面评估云图结果分析的应力场分布的结果，选择应力较大的位置进行求解，得到该节点处在整个振动激励时间段范围内的结果，如图44所示，所分析的节点的Von mises最大应力在3.5MPa以内。

图43 评估单元函数响应

图44 节点应力随时间变化的曲线

4.5 频率响应分析

为了分析配管在给的振动激励频率的响应情况，需要进行频率响应分析，其操作菜单如图45，在新建事件的类型中选择频率。

图45 建立频率响应分析

进行频率响应分析时，加载的振动激励函数为位移随频率变化的函数，因此需要将振动激励的时域函数转化为频域，通过点击工具栏的图标，在弹出的菜单中选择time->Spectrum(FFT),在弹出的Date Conversion中选择要转化的数据，并设置要输出的频域数据的文件名，如图46所示。图47为时域数据转化到频域后的得到的结果。