基于OptiStruct的活塞式壓縮機(jī)殼體VTF仿真分析及形貌優(yōu)化
家電產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域的成本壓力促使壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)降成本成為近年來關(guān)注的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，其中嘗試減薄壓縮機(jī)殼體厚度等是一條有潛力的結(jié)構(gòu)降成本技術(shù)路徑，但是由此對于壓縮機(jī)振動噪聲性能帶來影響，因此，對于壓縮機(jī)殼體振動噪聲的分析評價(jià)及殼體結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化成為一項(xiàng)有挑戰(zhàn)性的技術(shù)工作內(nèi)容。該論文以基于OptiStruct的壓縮機(jī)殼體VTF仿真分析及形貌優(yōu)化為主題開展相關(guān)研究，論文對壓縮機(jī)殼體進(jìn)行了VTF分析，基于OptiStruct對其壓縮機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的筋肋布局等進(jìn)行了形貌優(yōu)化，并得到最佳的加強(qiáng)筋的位置、形狀及尺寸，從而改善了壓縮機(jī)的振動噪聲性能。論文對于壓縮機(jī)課題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及振動噪聲性能提升有已經(jīng)借鑒意義。
梅長云 陳道根 常見虎 張安州 廖健生
廣東美芝制冷設(shè)備有限公司研發(fā)中心
摘要
Abstract
全封閉式往復(fù)壓縮機(jī)的噪聲主要來源于殼體的聲輻射，薄板輻射聲壓與其表面法向振速幅值有關(guān)，可通過優(yōu)化板厚、加強(qiáng)筋肋、薄板剛度等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)薄板結(jié)構(gòu)表面法向振速的控制。通過對壓縮機(jī)殼體進(jìn)行VTF（振動傳遞函數(shù)）仿真分析，尋找上下殼體振速最大的位置，并基于OptiStruct對壓縮機(jī)殼體進(jìn)行形貌優(yōu)化，在殼體上優(yōu)化出最佳的加強(qiáng)筋位置、形狀及尺寸，指導(dǎo)殼體加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)。對優(yōu)化后的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)及VTF仿真校驗(yàn)，第一階固有頻率提升8.5%，第二階固有頻率提升3.0%，殼體響應(yīng)點(diǎn)法向振速M(fèi)AX值降低23.6%，并低于目標(biāo)值。通過振動及近場聲壓的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明在峰值72 Hz處振動加速度降低了21.5%，近場聲壓在2500 Hz頻帶以內(nèi)及10000 Hz以上均有降低，驗(yàn)證了基于OptiStruct的形貌優(yōu)化仿真方法在提升壓縮機(jī)殼體面剛度及降低輻射噪聲的有效性。
關(guān)鍵詞
Keywords
壓縮機(jī)；聲輻射；模態(tài)；VTF；形貌優(yōu)化
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2022.04.004
0 引言
振動與噪聲是消費(fèi)者評價(jià)家用冰箱好壞的重要指標(biāo)之一，為了降低整機(jī)的振動與噪聲，家用冰箱普遍采用全封閉式的往復(fù)壓縮機(jī)，而全封閉式往復(fù)壓縮機(jī)的噪聲主要來源于殼體的聲輻射[1-2]。
目前國內(nèi)外學(xué)者主要從增加殼體厚度、增大倒角以避免曲率的急劇改變、非對稱設(shè)計(jì)及增加阻尼結(jié)構(gòu)等方法來改善壓縮機(jī)殼體輻射噪聲。季曉明[3]等研究了殼體形狀、厚度和阻尼等不同參數(shù)對殼體噪聲輻射的影響，給出有效降低殼體噪聲輻射的方法；杜桂榮[4]等通過有限元分析方法對壓縮機(jī)殼體封頭的曲率進(jìn)行了研究，給出了采用相同壁厚，盡量減小封頭的曲率半徑為宜的結(jié)論；樂建波[5]等利用數(shù)值模擬的方法研究了不同參數(shù)對壓縮機(jī)殼體模態(tài)的影響，認(rèn)為上殼體厚度增加、上殼體成近似球狀可降低噪聲輻射。
隨著廠商對壓縮機(jī)成本的控制，壓縮機(jī)殼體的厚度呈逐漸降低的趨勢，厚度的降低會帶來噪聲上升的問題。本文從薄板聲輻射理論出發(fā)，薄板輻射聲壓與其表面法向振速幅值有關(guān)。對壓縮機(jī)殼體進(jìn)行了VTF仿真分析，并基于OptiStruct對其壓縮機(jī)殼體進(jìn)行了筋肋布局的形貌優(yōu)化，在殼體上優(yōu)化出最佳的加強(qiáng)筋的位置、形狀及尺寸，指導(dǎo)殼體加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)。
1 薄板結(jié)構(gòu)振動聲輻射
1.1 聲輻射理論
往復(fù)壓縮機(jī)通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)運(yùn)動，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能，轉(zhuǎn)換過程中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的曲柄等因其質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)中心而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)慣性力，活塞等因往復(fù)運(yùn)動而產(chǎn)生往復(fù)慣性力，旋轉(zhuǎn)慣性力及往復(fù)慣性力通過座簧激勵(lì)壓縮機(jī)外殼，使其產(chǎn)生彎曲振動。往復(fù)壓縮機(jī)外殼通常采用2～6 mm的鋼板，其厚度尺寸遠(yuǎn)小于長寬尺寸，為薄板結(jié)構(gòu)。當(dāng)殼體被激振起來時(shí)，將帶動殼體表面的空氣層振動，從而產(chǎn)生輻射噪聲。壓縮機(jī)殼體即為面聲源，將面聲源鑲嵌在無限大障板中去研究。如圖1所示為薄板結(jié)構(gòu)離散圖，假設(shè)為一鑲嵌在無限大障板的矩形薄板，薄板結(jié)構(gòu)被均分成有限個(gè)面積相等的振動單元，薄板的振動傳遞到半空間中觀察點(diǎn)的聲壓可由Rayleigh積分得出[6-8]。
圖1 薄板結(jié)構(gòu)離散圖
式（1）中，v(rn)為薄板的法向表面振速；ρ0為流體介質(zhì)密度；k為薄板振動的波數(shù)，k=ω/c0；c0為聲音在流體介質(zhì)中的密度；S為薄板的面積；rn、rm為薄板表面上任意兩點(diǎn)的位移矢量。
式（1）表明薄板輻射聲壓與其表面法向振速幅值呈正相關(guān)，因此可通過優(yōu)化控制其表面法向振速幅值來控制結(jié)構(gòu)聲輻射功率，從而實(shí)現(xiàn)對板結(jié)構(gòu)輻射聲壓的優(yōu)化。
1.2 薄板振動模態(tài)
當(dāng)置于無限大障板中的薄板受到幅值為F(x, y, t)的簡諧力作用時(shí)，忽略輻射聲波在薄板表面的壓力波動，其運(yùn)動方程如下[9]：
式（2）中，D0為薄板的彎曲剛度，w為薄板變形位移，F(xiàn)(x, y, t)為作用薄板表面法向激勵(lì)力，ρ為薄板密度，h為薄板厚度。
薄板結(jié)構(gòu)表面法向振速可以分解為有限個(gè)結(jié)構(gòu)模態(tài)的疊加，即：
式（4）中，U(ω)為振速的幅值；V(ω)為振速的振型；M、N為所考慮頻率范圍內(nèi)沿平面X、Y方向所取的最大結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)；Amn為結(jié)構(gòu)模態(tài)幅度；φmn為結(jié)構(gòu)模態(tài)振型矢量。
影響薄板結(jié)構(gòu)表面法向振速的主要因素為結(jié)構(gòu)模態(tài)幅度和模態(tài)振型矢量，因此可通過優(yōu)化板厚、加強(qiáng)筋肋、薄板剛度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)薄板結(jié)構(gòu)表面法向振速的控制。
2 VTF分析及形貌優(yōu)化
VTF為振動響應(yīng)與激勵(lì)源之間的比值，即振動傳遞函數(shù)。如圖2所示為激勵(lì)力對殼體產(chǎn)生振動傳遞過程圖，殼體表面法向振速響應(yīng)V(ω)與激勵(lì)源F(ω)和殼體振動傳遞函數(shù)H(ω)的關(guān)系為：
圖2 激勵(lì)力對殼體產(chǎn)生振動傳遞過程圖
2.1 模態(tài)分析
使用HyperMesh對封閉式往復(fù)壓縮機(jī)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何前處理及網(wǎng)格劃分[10]。圖3 a)為壓縮機(jī)殼體模型圖，壓縮機(jī)殼體分為上殼體與下殼體，上殼體與下殼體通過焊縫連接；圖3 b)為單元網(wǎng)格圖，殼體厚度均勻，故采用抽取中面的方法，進(jìn)行殼單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為2 mm，上下殼體通過Seam單元焊縫連接。
圖3 壓縮機(jī)殼體模型及殼單元網(wǎng)格圖
使用Hyperworks軟件的OptiStruct求解器進(jìn)行求解，算法使用蘭索士模態(tài)分析方法，自由狀態(tài)下，如圖4所示為前四階模態(tài)振型圖，通過振型云圖發(fā)現(xiàn)變形區(qū)主要集中上下殼體端面，該區(qū)域相對薄弱，特別是一階下殼體呼吸模態(tài)，下殼體中心區(qū)變形最大。
圖4 前四階模態(tài)振型圖
2.2 VTF分析
模態(tài)分析結(jié)果表明上下殼體端面為主要變形區(qū)域，故殼體表面法向振速響應(yīng)點(diǎn)選擇上下殼體中心區(qū)域節(jié)點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)為下殼體四個(gè)支撐面，激勵(lì)力大小為1 N，如圖5所示為激勵(lì)力及響應(yīng)點(diǎn)位置。掃頻范圍1500 Hz～5500 Hz，采用模態(tài)疊加法進(jìn)行求解。
圖5 激勵(lì)力及響應(yīng)點(diǎn)位置
如圖6所示為法向速度響應(yīng)曲線，VTF分析結(jié)果表明上殼體在第一階模態(tài)頻率附近出現(xiàn)速度峰值p1，下殼體在第二階模態(tài)頻率附近出現(xiàn)速度峰值p2，且速度峰值p2高于目標(biāo)值23%，殼體面剛度不足，因此需要對殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升殼體模態(tài)頻率，減少殼體表面法向速度。
圖6 法向速度響應(yīng)曲線
2.3 形貌優(yōu)化
結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法包括拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化等。封閉式往復(fù)壓縮機(jī)殼體大都采用薄板結(jié)構(gòu)，通過模具沖壓成型，因此對殼體進(jìn)行凸出筋肋的形貌優(yōu)化，在殼體上找出最佳的加強(qiáng)筋肋的位置和形狀。在保證成本基本不增加的前提下，達(dá)到提升殼體面剛度、提升模態(tài)頻率、降低殼體法向速度的目的。如圖7所示為設(shè)計(jì)空間圖，其中綠色區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)區(qū)域，紅色區(qū)域?yàn)榉窃O(shè)計(jì)區(qū)域。
圖7 設(shè)計(jì)空間圖
設(shè)計(jì)參數(shù)：起筋高度，H≤5 mm；最小筋寬，G≥5 mm；起筋角度，C=60°。
目標(biāo)函數(shù)：第一階固有頻率最大，F(xiàn)(xi)=Max{f1 (xi)}。
約束條件：起筋百分比，BendFrac=[0.3，0.8]。
如圖8所示為第一階固頻隨迭代步歷程圖，經(jīng)過7迭代步，理想情況下殼體第一階固有頻率從3487.7 Hz提升至4164.4 Hz。如圖9所示為形貌優(yōu)化云圖，上下殼體中心區(qū)域需要進(jìn)行凸筋加強(qiáng)處理，高度5 mm左右。
圖8 第一階固頻隨迭代步歷程圖
圖9 形貌優(yōu)化云圖
如圖10所示為優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)形貌優(yōu)化分析，結(jié)合生產(chǎn)工藝可行性，對上下殼體凸筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，凸筋最高5 mm，材料及厚度保持不變。對優(yōu)化后的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)及VTF仿真校驗(yàn)，第一階固有頻率提升了8.5%，第二階固有提升了3.0%。圖11為法向速度響應(yīng)曲線，殼體響應(yīng)點(diǎn)法向振速M(fèi)AX值降低了23.6%，并低于目標(biāo)值，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。
圖10 優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖
圖11 法向速度響應(yīng)曲線
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)室為半消聲室，制冷劑為R600a，轉(zhuǎn)速72 r/s，啟動運(yùn)轉(zhuǎn)30分鐘以后，待壓縮機(jī)工作穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
保證機(jī)芯等部件的一致，對優(yōu)化前后的殼體進(jìn)行振動與噪聲對比，如圖12所示為壓縮機(jī)測試點(diǎn)布置圖，在壓縮機(jī)殼體頂部布置加速度傳感器，同時(shí)用傳聲器測試該點(diǎn)近場聲壓。測試及分析系統(tǒng)采用LMS Test.Lab，圖13為殼體優(yōu)化前后的振動與噪聲對比圖，其中綠色線型代表優(yōu)化前，藍(lán)色線型代表優(yōu)化后。通過殼體形貌優(yōu)化后，在峰值72 Hz處振動加速度降低了21.5%，近場聲壓在2500 Hz頻帶以內(nèi)及10000 Hz以上均有降低，驗(yàn)證了基于OptiStruct的形貌優(yōu)化仿真方法在提升壓縮機(jī)殼體面剛度及降低輻射噪聲的可行性。
圖12 壓縮機(jī)測試點(diǎn)布置圖
圖13 殼體優(yōu)化前后振動與噪聲對比圖
4 結(jié)果與討論
針對壓縮機(jī)殼體聲輻射問題，本文從理論、仿真和實(shí)驗(yàn)論證等方面對壓縮機(jī)殼體進(jìn)行了模態(tài)分析、VTF分析及形貌的優(yōu)化，得到如下結(jié)論：
（1）從薄板結(jié)構(gòu)振動聲輻射理論出發(fā)，薄板輻射聲壓與其表面法向振速幅值呈正相關(guān)，影響薄板結(jié)構(gòu)表面法向振速的主要因素為結(jié)構(gòu)模態(tài)幅度和模態(tài)振型矢量，可通過優(yōu)化板厚、加強(qiáng)筋肋、薄板剛度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)薄板結(jié)構(gòu)表面法向振速的控制。
（2）對優(yōu)化后的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)及VTF仿真校驗(yàn)，第一階固有頻率提升了8.5%，第二階固有提升了3.0%，殼體響應(yīng)點(diǎn)法向振速M(fèi)AX值降低了23.6%，并低于目標(biāo)值。
（3）通過振動及近場聲壓的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明振動加速度在峰值72 Hz處降低了21.5%，近場聲壓在2500 Hz頻帶以內(nèi)及10000 Hz以上均有降低，驗(yàn)證了基于OptiStruct的形貌優(yōu)化仿真方法在提升壓縮機(jī)殼體面剛度及降低輻射噪聲的有效性。
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（責(zé)任編輯：馬冀圓）
文章來源：家電科技
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