CAE仿真在空調(diào)電機(jī)支架優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

 1、概述

 用戶對高品質(zhì)生活的極致追求以及國家能效標(biāo)準(zhǔn)的提高，使得空調(diào)室外機(jī)的噪音性能越來越多的受到關(guān)注。振動小、噪音低的特點(diǎn)，對作為室外機(jī)重要組成部分的電機(jī)支架提出了更高的要求。同時，在競爭極其激烈的家電行業(yè)，不斷追求技術(shù)革新以及成本控制，運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)提高產(chǎn)品性能，并能采用較低的開發(fā)成本，是優(yōu)勢企業(yè)孜孜追求的目標(biāo)。

 本文嘗試從理論出發(fā)，采用HyperWorks/OptiStruct對某型號空調(diào)電機(jī)支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化及形貌優(yōu)化設(shè)計，有效提高了其剛度，并使得支架重量減輕，取得了良好的效果。

 2、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

 （1）拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)簡介

 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是優(yōu)化技術(shù)中具有創(chuàng)新性的技術(shù)，在給定的設(shè)計空間內(nèi)找到最佳的材料分布，或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設(shè)計。

 優(yōu)化設(shè)計的三要素：設(shè)計變量、設(shè)計約束和設(shè)計目標(biāo)。因此，要確定支架優(yōu)化方案首先就要確定設(shè)計的三要素。本文拓?fù)鋬?yōu)化的材料模式采用密度法，即將有限元模型設(shè)計空間的每個單元的“單元密度”作為設(shè)計變量。

 本次支架優(yōu)化設(shè)計流程如下：

圖1優(yōu)化設(shè)計流程圖

 （2）電機(jī)支架模型拓?fù)鋬?yōu)化

 該電機(jī)支架原始結(jié)構(gòu)及有限元模型如圖2和圖3所示，在電機(jī)固定中心分別施加單位轉(zhuǎn)矩，計算該支架的剛度以及在單位轉(zhuǎn)矩激勵下的頻率響應(yīng)。

圖2電機(jī)支架原始幾何機(jī)構(gòu)及FEM模型

 定義設(shè)計變量：綜合考慮電機(jī)支架的工作狀況，選擇電機(jī)給予支架轉(zhuǎn)矩作為目標(biāo)工況，將支架上除固定電機(jī)外的區(qū)域作為設(shè)計區(qū)域，如圖所示。紅色區(qū)域?yàn)榭梢宰鳛橥負(fù)鋬?yōu)化的設(shè)計區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域?yàn)榉窃O(shè)計區(qū)域。在材料尋優(yōu)過程中，將材料分布的方式對稱模式的約束PatternType定義為一平面對稱(1-plnsym)。

圖3電機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化模型

 定義響應(yīng)：定義整個支架的一階彎曲模態(tài)為響應(yīng)mode，定義支架中間側(cè)板某點(diǎn)的頻響為響應(yīng)Freqresp。

 定義設(shè)計約束、設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計約束為響應(yīng)mode的下限，即優(yōu)化出來的結(jié)構(gòu)的一階彎曲模態(tài)不小于原始結(jié)構(gòu)的模態(tài)；設(shè)計目標(biāo)為側(cè)板中間某點(diǎn)最大頻響最小化，即最大Freqresp最小化。

 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果：

 通過拓?fù)鋬?yōu)化分析，得到如圖所示材料分布云圖，通過幾何重構(gòu)并重新劃分網(wǎng)格，畫出拓?fù)鋬?yōu)化后的支架FEM模型，如圖4所示。

圖4支架拓?fù)鋬?yōu)化云圖及幾何重構(gòu)后的FEM模型

 3、形貌優(yōu)化設(shè)計

 （1）形貌優(yōu)化技術(shù)簡介

 形貌優(yōu)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于提高各種沖壓板件的性能。

 在形貌優(yōu)化中，設(shè)計空間由大量的節(jié)點(diǎn)波動向量組成，這些節(jié)點(diǎn)波動向量按照一定的模式進(jìn)行組合以滿足設(shè)計約束，并最終生成優(yōu)化后的最佳形貌。

 （2）支架形貌優(yōu)化

 針對拓?fù)鋬?yōu)化后的電機(jī)支架，為進(jìn)一步提高其剛度，對其進(jìn)行形貌優(yōu)化，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加加強(qiáng)筋的設(shè)計。在形貌優(yōu)化進(jìn)行過程中，同樣需要定義設(shè)計變量、設(shè)計約束和設(shè)計目標(biāo)：

 定義設(shè)計變量：以支架實(shí)際固定在機(jī)器上的狀態(tài)考察約束模態(tài)工況，固定支架兩端打螺釘部位，進(jìn)行模態(tài)分析。同樣將支架上除固定電機(jī)之外的區(qū)域作為設(shè)計區(qū)域，如圖5所示，圖中顏色區(qū)域?yàn)樵O(shè)計區(qū)域，顏色區(qū)域?yàn)榉窃O(shè)計區(qū)域。同樣，在起筋優(yōu)化時，選擇筋的對稱模式的約束為一平面對稱(1-plnsym)。

圖5支架形貌優(yōu)化模型

 定義響應(yīng)：定義支架在約束模態(tài)工況下的第一階彎曲模態(tài)為響應(yīng)mode。

 定義設(shè)計目標(biāo)：定義設(shè)計目標(biāo)為響應(yīng)mode最大化，即支架一階模態(tài)最大化。

 形貌優(yōu)化結(jié)果：OptiStruct優(yōu)化給出的起筋云圖如圖6所示，筋的分布基本是對稱的，對照此云圖可對支架進(jìn)行幾何重構(gòu)。

圖6支架形貌優(yōu)化云圖

 4、優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

 結(jié)合以上拓?fù)鋬?yōu)化及形貌優(yōu)化得到的支架結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行約束模態(tài)分析及頻響分析，將結(jié)果與優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。

 （1）約束模態(tài)分析結(jié)果

 計算結(jié)果可知，在同等厚度情況下，優(yōu)化后支架的一階彎曲頻率為49.2Hz，優(yōu)化前為32.1Hz，優(yōu)化后支架的二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為65.1Hz，優(yōu)化前為60.6Hz，前兩階主要模態(tài)均有較大的提升。

 （2）頻響分析結(jié)果

圖7優(yōu)化前后支架中部某測點(diǎn)的頻響

 分析得知，在工作轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)頻域（虛線紅圈內(nèi)），優(yōu)化后支架中部某測點(diǎn)頻響相比原始結(jié)構(gòu)有62.8%的下降，振動量改善較大，更有利于電機(jī)工作穩(wěn)定。

 5、結(jié)論

 本文通過理論工具并結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對空調(diào)電機(jī)支架進(jìn)行了有效的拓?fù)鋬?yōu)化及形貌優(yōu)化設(shè)計，找到了最佳的材料分布形式及最優(yōu)的加強(qiáng)筋方式。經(jīng)過優(yōu)化后的新支架的結(jié)構(gòu)，與原始結(jié)構(gòu)的空調(diào)支架相比，厚度相同，重量下降4.6%↓，剛度性能提升53.2%↑，側(cè)板振動量下降62.8%↓，結(jié)果如下表所示：

表1電機(jī)支架優(yōu)化結(jié)果

 綜上所述，本文應(yīng)用HyperWorks軟件OptiStruct模塊對空調(diào)支架進(jìn)行了成功的嘗試，采用拓?fù)鋬?yōu)化與形貌優(yōu)化結(jié)合的方法，可以高效快速的尋找材料最佳分布方式及形貌，為設(shè)計者提供新的設(shè)計開發(fā)的思路，在確保性能的前提下，可以顯著提高設(shè)計的效率，節(jié)約樣機(jī)，大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。該方法可以推廣到其他類似零部件的工程設(shè)計中去，具有良好的工程設(shè)計指導(dǎo)意義。

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