基于ANSYS Workbench空調(diào)室外機(jī)支架的靜力學(xué)分析

（內(nèi)江師范學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100）

0 引言

隨著生活水平的提高，空調(diào)使用越來越廣泛，空調(diào)室外機(jī)的安全問題不容小覷，支架風(fēng)吹日曬、易氧化生銹，而強(qiáng)度是構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計中最基本的要求，可用于判別構(gòu)件抵抗破壞能力，因此，支架的強(qiáng)度需要滿足要求[1]。我國空調(diào)室外機(jī)支架領(lǐng)域的首個行業(yè)規(guī)范——《空調(diào)器室外機(jī)安裝用支架規(guī)范》對空調(diào)室外機(jī)支架的強(qiáng)度作出了相關(guān)規(guī)定，即承載能力不得低于空調(diào)器機(jī)組自重的4 倍；支架必須使用3 毫米以上厚度的角鋼或鍍鋁鋅鋼板等，但構(gòu)件具體尺寸沒有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。支架結(jié)構(gòu)相對簡單，故常采用工程算法來計算強(qiáng)度，雖然方便快捷，但也存在忽視安裝孔等技術(shù)細(xì)節(jié)對應(yīng)力的影響、應(yīng)力集中計算不足以及不能了解支架整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況等缺點(diǎn)[2]。近年來，借助有限元軟件進(jìn)行設(shè)計分析，對相關(guān)零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核是目前應(yīng)用比較廣泛的方法。陶卓然[3]利用ANSYS Workbench 軟件對支架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，判斷截面形狀和厚度對支架力學(xué)性能的影響；魯文喜[4]研究設(shè)計了一種家用空調(diào)室外機(jī)抗颶風(fēng)支架，并運(yùn)用ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行支架的強(qiáng)度校核設(shè)計；周明杰[5]等人也運(yùn)用ANSYS Workbench 軟件對空調(diào)壓縮機(jī)皮帶輪進(jìn)行了疲勞壽命研究。ANSYS Workbench 軟件具有界面友好、設(shè)置簡便、易于上手等優(yōu)點(diǎn)，能夠分析模擬支架在載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變等。因此本文采用ANSYS Workbench 軟件對某空調(diào)室外機(jī)支架進(jìn)行碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235 和不銹鋼304 兩種材料屬性下的靜力學(xué)分析。

1 材料屬性分析

碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235 和不銹鋼304 都屬于塑性材料，該類材料構(gòu)件在發(fā)生屈服前，其抗拉和抗壓性能基本相同。通常情況下，這兩類塑性材料在受到拉伸或壓縮時，很容易產(chǎn)生塑性變形，即屈服現(xiàn)象，而當(dāng)構(gòu)件變形過大的時，就會失去正常的工作和承載能力。為了確保構(gòu)件的正常工作與安全性能，構(gòu)件應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度以及必要的強(qiáng)度儲備，即不僅工作應(yīng)力要小于材料被破壞時的極限應(yīng)力，還要小于許用應(yīng)力，該許用應(yīng)力與安全系數(shù)和極限應(yīng)力有關(guān)。Q235 有明顯的屈服階段，一般用σs表示其屈服極限，而對于不銹鋼304這種沒有明顯的屈服階段的塑性材料，國際上規(guī)定將產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變時的應(yīng)力作為屈服指標(biāo)，用σp0.2來表示。

存在公式：

式中：σ－許用應(yīng)力；

FN－垂直于截面的拉（壓）力；

A－橫截面積。

式中：σ－許用應(yīng)力；

σu－極限應(yīng)力，塑性材料σu=σs（σp0.2）；

n－安全系數(shù)，一般大于1，其值由設(shè)計規(guī)范規(guī)定，塑性材料安全系數(shù)用ns表示。

2 靜力學(xué)分析

ANSYS Workbench 的靜力學(xué)仿真分析流程大概可以分為建立或者導(dǎo)入幾何體模型、進(jìn)行材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、求解、結(jié)果后處理6 個步驟。值得注意的是，若ANSYS Workbench 材料庫中沒有需要的材料時，可通過設(shè)置密度、楊氏模量，泊松比等常見參數(shù)進(jìn)行新材料的添加。在網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)中，需要注意所劃網(wǎng)格的質(zhì)量問題，其質(zhì)量對于仿真分析的結(jié)果有著非常關(guān)鍵的影響，對于比較簡單的結(jié)構(gòu)形式，可利用ANSYS Workbench 中的Automatic（自動劃分法），僅需調(diào)整網(wǎng)格的密度即可達(dá)到要求[3]。邊界條件設(shè)置中，設(shè)置相應(yīng)的約束并添加載荷，求解計算后得到相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖等，根據(jù)這些云圖可對分析對象進(jìn)行強(qiáng)度校核，判斷強(qiáng)度是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 支架3D 模型建立

空調(diào)室外機(jī)支架沒有嚴(yán)格的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，下承式角鋼支架是最常見的形式，以某支架為例，采用三維軟件SolidWorks 建立支架的3D 模型，其結(jié)構(gòu)由3 塊不同尺寸的等邊角鋼焊接而成，構(gòu)件1 上有3 個 Φ15mm的固定孔，尺寸為500mm×40mm×3mm，構(gòu)件2 上有2 個用于固定安裝空調(diào)室外機(jī)長為 50mm、寬為 15mm的圓弧槽口，尺寸為 6 00mm×45mm×4mm，構(gòu)件3 的尺寸為400mm×30mm×3mm。

2.2 支架載荷分析

空調(diào)室外機(jī)采用的是兩副相同結(jié)構(gòu)的支架共同支撐，兩支架完全對稱，故只需要對一側(cè)的支架進(jìn)行分析即可，本文選用某種格力空調(diào)室外機(jī)為研究對象，總質(zhì)量為 54kg，重力加速度取忽略支架自重，根據(jù)《空調(diào)器室外機(jī)安裝用支架規(guī)范》規(guī)定，一側(cè)支架受力載荷不小于 1058.4N。

2.3 Q235 材料的支架靜力學(xué)分析

將支架的3D 模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，簡化模型，設(shè)置材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，其密度ρ=7.85×103kg/m3，楊氏模量 E=210Gpa，泊松比ν=0.3，Q235 的屈服強(qiáng)度σs=235Mpa，安全系數(shù)選取1.5，經(jīng)計算得其許用應(yīng)力［σ］=156.7Mpa，選用自動劃分法劃分網(wǎng)格，經(jīng)檢測網(wǎng)格質(zhì)量較好，構(gòu)件1 背面因借助固定孔而固定在墻面上，將其和三個固定孔的自由度全部約束，并將固定孔的螺栓力抽象為無摩擦支撐力，添加 1058.4N的載荷并求解，獲得應(yīng)力云圖（見圖1）、總位移云圖（見圖2），由圖1可知，最大應(yīng)力為 87.161Mpa，由圖2可知總位移位于構(gòu)件2 最外側(cè)，為 0.32416mm，變形量較小，因此，對于 54kg的空調(diào)室外機(jī)，該支架強(qiáng)度滿足要求。

圖1 Q235 支架應(yīng)力云圖

圖2 Q235 支架總位移云圖

2.4 不銹鋼304 材料的支架靜力學(xué)分析

目前，市面上不銹鋼材質(zhì)的空調(diào)室外機(jī)支架也較為流行，應(yīng)用ANSYS Workbench 軟件對該類材質(zhì)支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，并將之與Q235 材質(zhì)的支架進(jìn)行強(qiáng)度比對。借助原有模型，重復(fù)上述操作，將材料屬性進(jìn)行更改，設(shè)置材料為不銹鋼304，其密度ρ=7.93×103kg/m3，楊氏模量 E=194Gpa，泊松比ν=0.3，不銹鋼304 的屈服強(qiáng)度σp0.2=205Mpa，安全系數(shù)選取1.5，經(jīng)計算得其許用應(yīng)力 ［σ］=136.6Mpa，添加 1058.4N的載荷并求解，獲得應(yīng)力云圖（見圖3），總位移云圖（見圖4），由圖3可知，最大應(yīng)力為 87.161Mpa，由圖4可知總位移為 0.3509mm，變形量較小，因此，對于 54kg的空調(diào)室外機(jī)，該支架強(qiáng)度也滿足要求。

圖3 不銹鋼304 支架應(yīng)力云圖

圖4 不銹鋼304 支架總位移云圖

分別對比圖1和圖3、圖2和圖4，可知：同種尺寸、同種受力載荷下，Q235 和不銹鋼304 材料類型的支架應(yīng)力相同，總變形相差略有差距，Q235材質(zhì)的支架變形量小于不銹鋼304 的支架變形量。根據(jù)公式（1）可知，應(yīng)力σ與FN和A有關(guān)，在不考慮材料自重的情況下，兩者的受力狀態(tài)相同，由于幾何尺寸相同，那么同一點(diǎn)的應(yīng)力自然相同，因此上述兩類材料支架的應(yīng)力相同。但因?yàn)椴牧喜煌?，楊氏模量、泊松比等不同，所以變形是不同的。值得注意的是，空調(diào)室外機(jī)一般安裝在室外，常年風(fēng)吹日曬，尤其是南方地區(qū)，潮濕多雨，普通角鋼雖然剛度比不銹鋼304 大，價格便宜，但容易生銹，使用壽命5～7年，長時間使用容易出現(xiàn)安全事故，不銹鋼支架造價高，但具有耐腐蝕、抗氧化、不銹性等特性，比較耐用、安全，使用壽命10～15年。支架在不同環(huán)境和使用年限下，腐蝕情況不同，其承載能力亦不相同，若支架或工作環(huán)境較好，如少經(jīng)風(fēng)吹雨打、日曬雨淋，或采用其他防銹材質(zhì)或表面經(jīng)過一定的防銹處理，銹蝕率會大大降低，則有利于延長其使用壽命，安全性能更有保證。

3 結(jié)語

本文利用 ANSYS Workbench 對不同材料的空調(diào)室外機(jī)支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，可知，對于 54kg的空調(diào)室外機(jī)，Q235 和不銹鋼304 兩種材質(zhì)的支架強(qiáng)度均滿足要求，且兩類材質(zhì)的支架在尺寸和受力載荷相同的情況下，應(yīng)力相同，總變形略有差距，但相差不大。結(jié)合支架構(gòu)件材質(zhì)的相關(guān)性能及工作環(huán)境的相關(guān)分析，可對空調(diào)室外機(jī)支架的選擇提供一定的參考價值。