針對固有頻率計算的冰箱管路不同建模方法對比研究

黃文才 王利亞 江俊 李語亭 鐘澤 任偉

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

冰箱作為家庭中最重要的家電之一，與人們的生活息息相關。伴隨著人們對生活品位的追求，以及對冰箱高性能的迫切需求，冰箱噪聲問題日益成為影響人們評價冰箱質量的主要因素之一，低噪聲越來越成為人們衡量冰箱產品性能的關鍵指標。

冰箱噪聲主要包括管路噪聲、冷媒噪聲、壓機噪聲等，其中由于壓縮機常常會劇烈振動導致的壓縮機管路共振現(xiàn)象一直以來都是冰箱噪聲的主要表現(xiàn)特征[1]。冰箱壓縮機配管是連接壓縮機與冷凝器等的重要構成部件，其可靠性一直都是影響配管結構設計的關鍵影響因素[2]。壓縮機的振動是通過吸排氣管路、橡膠腳墊、底板、冷媒等路徑傳遞到箱體上[3]，進而產生噪聲輻射。

解決冰箱管路共振問題的常規(guī)方法是通過改變管路固有頻率從而避開壓縮機運行頻率[4]，達到減小管路振動幅度的效果。當前對于冰箱管路共振的研究通常采用建模仿真研究與實驗測試相結合的方法，通過將實驗數(shù)據(jù)與仿真結果進行對比，證明所建數(shù)學模型的合理性，進而通過模擬仿真來進行設計優(yōu)化。而管路物理建模往往是參照設計圖紙進行的，在實際生產過程中，冰箱管路形狀特征會因人為操作、機械運輸?shù)冗^程中不可避免的擠壓、碰撞而發(fā)生變形并產生誤差，使得實際管路特征與圖紙設計存在較大的偏差。針對此現(xiàn)象，本文選擇我司某型號冰箱進行建模仿真設計，通過參照設計圖紙與利用高精度掃描設備兩種方式進行建模仿真分析，將仿真結果分別與實驗測試得到的固有頻率進行比較，結果表明利用高精度掃描設備進行的實物建模，所得到的管路仿真固有頻率分布特征更貼近實際測試結果，大大降低了仿真研究失誤率，為后續(xù)仿真研究和設計優(yōu)化提供了實用性參考。

2 冰箱壓縮機管路共振分析

冰箱機械室的管路共振是機械噪聲的主要來源之一，造成管路共振的主要激勵源為壓縮機，壓縮機底部通過橡膠墊安裝在壓縮機安裝底板上，壓縮機上端通過吸氣、排氣管路等其他部件與冰箱箱體相連，壓縮機及管路連接特征如圖1所示。

壓縮機通過內部電機的簡諧運動帶動曲柄連桿進行轉動，產生相應的簡諧激勵，通過振動傳遞到壓縮機外表面殼體[5]，殼體則將振動能量傳遞到回氣管、排氣管上，最后傳給箱體產生噪聲輻射?；貧夤芎团艢夤芊謩e在壓縮機同側的上下位置，排氣管管路形狀相對復雜，對壓縮機管路共振影響較大，因此排氣管的建模仿真研究是本文研究的重點?？紤]到排氣管在實際過程中的分布特征，以及為了保證仿真模型的準確性和有效性，本文將參考設計圖紙進行物理建模和通過高精度掃描設備建模兩種方式建立排氣管仿真模型，并與實驗測試結果進行比較。同時為了簡化模型計算，在仿真建模過程中將排氣管與壓縮機以及箱體相連的兩端設置相同的邊界條件，以保證對比的合理性及可行性。本文建模仿真方法研究技術路線如下文所述。

3 冰箱壓縮機管路仿真分析

3.1 壓縮機管路模型的建立

針對我司某款型號的冰箱壓縮機管路進行建模分析，第一種方式采取按照設計圖紙一般管路建模方法進行物理建模，如圖2所示為參照設計圖紙所建模型。

由于本次研究的重點是排氣管管路固有頻率分布特征，同時也為了簡化仿真工作的計算復雜性，在管路兩端設置好相應的邊界條件，以滿足實際壓縮機和箱體對管路的約束要求，排氣管采用鋼材料，具體參數(shù)如表1所示。按一般管路建模方法對排氣管路進行特征建模，如圖3所示為設計圖排氣管路模型。

考慮到排氣管在實際過程中因人為操作誤差造成的管路實際特征發(fā)生的變化，以及為保證仿真模型的合理性，第二種建模方式采用高精度掃描設備對冰箱管路進行實物建模，配置參數(shù)如表2所示，對冰箱管路進行定位掃描得到如圖4所示的管路模型特征。

3.2 固有頻率仿真分析

通過對以上兩種方式建立的排氣管物理模型進行仿真模擬分析，由于只考慮低階模態(tài)上固有頻率分布，并結合實際管路連接特征，排氣管路一端與壓縮機相連固定，另一端與箱體連接固定，在排氣管的兩端設置固定線約束邊界條件，利用二次四面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1mm，得到仿真結果如圖5所示。

圖1 壓縮機及管路連接示意圖

圖2 壓縮機整體管路構造

圖3 設計圖排氣管路模型

圖4 高精度設備實物掃描排氣管路模型

表1 排氣管主要相關物性參數(shù)

表2 高精度掃描設備參數(shù)配置

圖5 仿真位移分布

圖6 實驗排氣管固有頻率激勵采集示意圖

圖7 排氣管頻響函數(shù)曲線

表3 排氣管實驗與仿真結果

由圖5可知，在兩種方式下得到的物理仿真結果存在明顯差異，第一種按圖建模方法忽略了實際過程中由于人為操作失誤以及運輸過程中發(fā)生碰撞等客觀原因造成的管路發(fā)生形變問題，而管路固有頻率隨著形狀的變化而發(fā)生相應的改變。通過仿真結果可知，在相同的位置施加相同大小的力，兩種建模得到位移最大點分布不一，第一種按圖建模方式下得到的最大值主要集中在管路向內彎曲的一側，第二種采用高精度掃描設備方式下得到的結果最大值集中在管路向外彎曲的一側。

3.3 實驗固有頻率分析

對我司某型號的冰箱管路進行實驗測試分析，獲取配管系統(tǒng)的參數(shù)，采用DASP V11智能數(shù)據(jù)采集和處理設備對排氣管路進行實驗數(shù)據(jù)采集，實驗通過單點激勵、多點響應的方法，在排氣管的不同測點處分別布置加速度傳感器，如圖6所示，通過在排氣管固定某一處位置進行力錘敲擊輸入激勵力，并通過加速度傳感器獲得輸出響應，從而得到管路的固有頻率分布。

實驗測試的排氣管路頻響函數(shù)變化如圖7所示，本次研究主要分析100Hz以下的各階振動固有頻率，從測試數(shù)據(jù)中進行提取相應的固有頻率，一般取低階測試結果進行對比分析。

3.4 實驗與仿真結果對比

將兩個模型仿真得到的固有頻率結果與實驗測試結果進行對比，如表3所示，對模型1進行仿真模擬發(fā)現(xiàn)固有頻率結果與實驗數(shù)據(jù)存在明顯的差異，第一種建模方式下低階固有頻率最大誤差率達到14.9%；模型2得到的仿真固有頻率結果與實驗數(shù)據(jù)十分接近，各階固有頻率誤差均在7%以內，仿真精度達到要求，由此說明通過高精度設備實物掃描建模的準確性更高，更貼近真實值。

結合以上兩種方式所得建模仿真結果分析，造成差異的原因主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）第一種按圖建模的方式建立在前人的設計基礎上，圖紙設計存在人為的設計誤差；

（2）在生產、組裝成品等一系列過程中，操作產生的誤差使管路實際特征偏離設計圖紙規(guī)范，從而導致結果存在差異；

（3）第二種采用高精度掃描設備進行建模是針對管路實際特征進行的，排除了生產工藝的誤差，所得管路模型更貼近現(xiàn)實；

（4）在仿真過程中，除主要邊界條件一致，由于兩種模型存在差異性，造成網(wǎng)格的劃分必然不一，導致仿真結果差異明顯。

4 結論

本文通過對某款型號冰箱采取兩種仿真建模方式進行研究分析比較，并與實驗測試數(shù)據(jù)相結合，結果表明：

（1）冰箱實際管路特征由于人為操作以及其他操作原因，造成與設計圖紙產生偏差，通過高精度設備進行掃描建模其特征更接近真實值，仿真結果誤差更小；同時對排氣管路進行常規(guī)建模仿真結果會避開部分固有頻率特征，導致準確度缺失。

（2）針對管路的研究必須以實物特征為主，實際過程中實物特征會存在部分差異，按圖管路仿真建模盡可能依照實際特征進行；基于高精度的實物掃描建模方法可信度較高，可以提高仿真研究的準確性和有效性。

圖8 仿真結果與實驗測試結果對比

圖9 仿真結果與實驗測試誤差對比