風機安裝結(jié)構(gòu)隨機振動分析與優(yōu)化

李鵬

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

風機安裝結(jié)構(gòu)隨機振動分析與優(yōu)化

李鵬

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

本文通過隨機振動和模態(tài)實驗，對風機系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)進行了損壞評估和原因分析；針對分析原因，進行了風機結(jié)構(gòu)隨機振動的CAE分析、評估和優(yōu)化，確定了風機系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案；結(jié)合CAE分析和隨機振動實驗，進行了其結(jié)構(gòu)分析和驗證，實驗表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)大大提高了風機系統(tǒng)剛度性能，避免了道路運輸中的產(chǎn)品損壞。

隨機振動；PSD；模態(tài)實驗

隨著市場經(jīng)濟環(huán)境和生活水平的不斷提高，家用中央空調(diào)和一些特種空調(diào)普及率更廣，各種惡劣的道路運輸工況層出，空調(diào)產(chǎn)品運輸可靠性面臨挑戰(zhàn)日益嚴峻。為了提高空調(diào)性能，家用中央空調(diào)和特種空調(diào)中，質(zhì)量大、直徑大和高度高的金屬風葉的風機系統(tǒng)運用最常見，這給風機系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)在運輸中的可靠性帶來挑戰(zhàn)。在運輸過程中，外界激勵力與產(chǎn)品部件固頻一致或接近時，引起共振現(xiàn)象導致產(chǎn)品損壞，甚至失效，嚴重影響空調(diào)質(zhì)量品質(zhì)和市場競爭力。

本文通過隨機振動和模態(tài)實驗變形對某風機系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)進行了損壞評估和原因分析，從而尋求其有效的風機安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。針對分析原因，根據(jù)一定的優(yōu)化理論，結(jié)合CAE分析和優(yōu)化方法，對風機系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)進行相應優(yōu)化，給出有效的優(yōu)化方案和解決思路，保障產(chǎn)品運輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 風機系統(tǒng)隨機振動實驗

1.1 功率譜密度

產(chǎn)品在公路運輸過程中，其振動與路面狀況，行駛速度、車輛減振性能和載重等因素密切相關(guān)，其中受公路路面的起伏和不平度影響最大。隨機振動是不能用時間的確定函數(shù)來描述的一種振動現(xiàn)象，但存在一定的統(tǒng)計規(guī)律，可用該現(xiàn)象的統(tǒng)計特性進行描述，即在震動頻率范圍內(nèi)描述。通常情況下，描述隨機振動載荷或響應的方式是功率譜密度函數(shù)。設(shè)計載荷最普遍采用是加速度峰值響應等效，即設(shè)計載荷所產(chǎn)生的加速度響應等于隨機振動中的加速度響應峰值[1]。在外載荷激勵下，加速度響應等效公式為：

式中，F(xiàn)a為設(shè)計載荷，M為質(zhì)量矩陣，F(xiàn)(t)為隨機載荷，K為剛度矩陣，C為阻尼矩陣，x為位移向量，為速度向量，為加速度向量。

研究表明，公路運輸中隨機振動加速度功率譜密度在垂直方向最大，橫向次之，縱向最小[2]。我國公路隨機振動功率譜密度曲線是卡車不同負載條件下，以勻速50km/h的速度行駛在瀝青柏油公路上時采集的垂直振動強度曲線。本文參照國標GB/T 4875.23-2003公路譜曲線，選擇低高頻都更嚴厲的加速度功率譜密度標準，具體如圖

1所示。

圖1 PSD曲線

圖2 風機系統(tǒng)隨機振動破壞

圖3 風機系統(tǒng)FRF

圖4 風機系統(tǒng)第一階振型

圖5 原風機系統(tǒng)前2階振型

圖6 優(yōu)化方案前2階振型

1.2 隨機振動實驗

參照上述加速度功率譜密度，將風機系統(tǒng)固定在振動臺上，沿豎直方向進行振動8小時，拆開風機系統(tǒng)檢查，風機系統(tǒng)破壞如圖2所示。風機系統(tǒng)與安裝網(wǎng)之間的4個螺栓被拉斷，風機系統(tǒng)掉落。風機系統(tǒng)固定螺栓由于疲勞被拉斷，主要可能由于在掃頻過程中，振動激勵與風機系統(tǒng)某階模態(tài)相近或相同，引起共振，產(chǎn)生嚴重的破壞。

2 風機系統(tǒng)模態(tài)測試

為了更深入分析風機系統(tǒng)隨機振動破壞的原因，對風機系統(tǒng)進行模態(tài)測試。通過錘擊法，帶寬126Hz，譜線數(shù)256，建立8點幾何，采用4個三向傳感器分兩次測量，完成風機系統(tǒng)模態(tài)測試。風機系統(tǒng)FRF如圖3所示，風機系統(tǒng)第一階固頻為11.3Hz，對應振型為電機的上下振動模態(tài)，具體如圖4所示。

根據(jù)以上分析，為解決風機系統(tǒng)隨機振動過程中螺栓拉斷問題，調(diào)整風機系統(tǒng)第一階模態(tài)是有效的方案。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對風機系統(tǒng)，建立有效的CAE模型，進行相應模態(tài)分析和隨機振動分析，并根據(jù)分析結(jié)果進行風機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和驗證，從而解決隨機振動過程風機系統(tǒng)螺栓拉斷問題，保證空調(diào)產(chǎn)品運輸?shù)目煽啃浴?/p>

風機系統(tǒng)模態(tài)分析顯示，電機上下振動振型對應模態(tài)是主要原因，通過結(jié)構(gòu)調(diào)整提升或避免該階模態(tài)能有效解決運輸破壞問題；風機系統(tǒng)隨機振動分析顯示，風機系統(tǒng)最大1σ應力分布于螺栓上，通過結(jié)構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)移或均布其最大應力是有效的方案。綜上所述，雖然原風機系統(tǒng)網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)有較細的圓環(huán)，但直徑太小，整個風機系統(tǒng)仍存在低頻的上下振動模態(tài)。故對原風機系統(tǒng)進行增加加強圓環(huán)處理，直徑與4根主要支撐臂相同，具體分析和驗證在下文詳述。

3.1 模態(tài)分析和驗證

對原風機系統(tǒng)和優(yōu)化方案進行模態(tài)分析，前5階固頻如表1所示，優(yōu)化方案風機系統(tǒng)第一階固頻顯著提升。道路運輸和隨機振動掃頻過程，能量主要集中在低頻，第一階模態(tài)的提升，能大大減小風機系統(tǒng)相應部件能量的沖擊。

圖7 原風機系統(tǒng)1σ應力分布

圖8 優(yōu)化方案1σ應力分布

表1 風機系統(tǒng)前5階固頻

原風機系統(tǒng)前3階模態(tài)均為電機模態(tài)，第1階為電機上下振動模態(tài)，對應固頻為12Hz，這是隨機振動掃頻實驗中極易引起電機共振的模態(tài)；第2階和第3階為電機其他兩個方向振動模態(tài)，具體詳見圖5所示。優(yōu)化方案風機系統(tǒng)前2階為電機沿非上下方向的振動模態(tài)，第3階為整個安裝鈑金鐵板的上下模態(tài)，對應固頻為23.7Hz，具體詳見圖6所示。在隨機振動掃頻過程中電機不會出現(xiàn)單獨共振而拉斷螺栓，能有效解決原風機運輸破壞問題。

3.2 隨機振動分析和驗證

根據(jù)隨機振動實驗要求，如圖1所示隨機振動實驗用加速度譜密度函數(shù)，分別對原風機系統(tǒng)和優(yōu)化方案進行2Hz～200Hz掃頻隨機振動分析，風機系統(tǒng)在豎直隨機振動時，1σ應力分布具體結(jié)果如圖7和圖8所示。

如圖7所示，豎直方向隨機振動時，原風機系統(tǒng)的安裝螺栓處應力最大，與隨機振動實驗中風機螺栓拉斷部位一致，1σ應力為569.6Mpa，可知2σ應力為1139.2Mpa，3σ應力為1708.8Mpa；優(yōu)化方案風機系統(tǒng)豎直方向隨機振動時，應力最大部位出現(xiàn)在加強圓環(huán)上，1σ應力為311.5Mpa，相對原風機系統(tǒng)減小45.3%，而電機安裝螺栓處應力較小。

根據(jù)以上分析，對原風機系統(tǒng)進行加強圓環(huán)結(jié)構(gòu)更改，制作樣件，再次進行8小時隨機振動實驗，風機系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)完整，無損壞。

4 結(jié)論

（1）通過風機系統(tǒng)模態(tài)實驗，確定了其安裝結(jié)構(gòu)模態(tài)在隨機振動掃頻過程中產(chǎn)生共振，是風機系統(tǒng)安裝螺栓拉斷的主要原因。

（2）結(jié)合CAE和實驗方法，基于風機系統(tǒng)模態(tài)分析振型和隨機振動應力分布，給出了加強圓環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

（3）風機系統(tǒng)加強圓環(huán)優(yōu)化方案，通過了模態(tài)和隨機振動的CAE對比驗證；同時，進行樣件制作后的產(chǎn)品也通過了隨機振動實驗驗證。

[1] 張玉梅,韓增堯,鄒元杰.隨機振動環(huán)境下航天器結(jié)構(gòu)強度設(shè)計方法總述.力學進展,2012,42(4):464～466

[2] 汪苗苗.平板電視緩沖包裝件的力學特性研究.東北林業(yè)大學碩士論文,2010:11～12

Structural optimization of fan-motor system base on random vibration

LI Peng
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

In this thesis, random vibration test and modal test of fan-motor system are carried out , the damage of fanmotor system is observed and how to be destroyed is analyzed. According to the reason for fan-motor system damage, with the method of CAE, random vibration analysis is done and the optimized fan-motor system structure scheme is determined. Based on random vibration theory and modal adjustment, the fan-motor system structure is optimized and verified by CAE, modal test and random vibration test.

Random system; PSD; Modal test