空調支架的有限元分析

周亮

摘 要：由于空調支架為一個完全對稱結構，空調的重量均勻分部在兩側對稱支架上，因此只要對空調支架的一側進行分析即可達到對整體空調支架的分析，同時也達到了簡化空調支架分析的目的。本文分三部分完成：一，空調支架一側的建模；二，利用有限元分析軟件對建好的空調支架模型進行有限元分析；三，根據空調支架模型有限元分析的結果對支架進行強度校核以及結構優化。

關鍵詞：完全對稱結構 強度校核 結構優化

一、引言

19世紀，英國科學家及發明家麥可·法拉第，發現壓縮及液化某種氣體可以將空氣冷凍，此現象出現液化氨氣蒸發時，當時其意念仍留于理論化。1842年，佛羅里達州醫生約翰·哥里以壓所落成的新大樓設有中央空調。一名新澤西州的工程師Alfred Wolff協助設計此嶄新的空氣調節系統，并把技術由紡織廠遷移至商業大廈，他被認為是令工作環境變得涼快的先驅之一。被稱為制冷之父的美國發明家威利斯·哈維蘭德·卡里爾于1902年設計并安裝了第一部空調系統，并于1906年得到注冊專利。

目前市場上流通的空調支架的材質主要有3種：普通角鋼材料，安全使用期一般為5年—7年；防銹能力較強的普通鍍鋅板，安全使用期一般為7年—10年；具有超強防銹能力的鍍鋁鋅鋼板或不銹鋼材料，安全使用期約為10年—15年。

二、空調支架的特點分析

由于空調支架為一個完全對稱結構，空調的重量均勻分部在兩側對稱支架上，因此只要對空調支架的一側進行分析即可達到對整體空調支架的分析，同時也達到了簡化空調支架分析的目的。本次作業可以分三部分來完成：一，空調支架一側的建模；二，利用有限元分析軟件對建好的空調支架模型進行有限元分析；三，根據空調支架模型有限元分析的結果對支架進行強度校核以及結構優化。

三、空調支架的建模

本次進行的是空調支架的靜力分析，在SolidWorks中建模后導入ANSYS中進行分析，劃分合適的網格并分析，本文采用的有限元分析軟件為美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件ANSYS15.0。建立模型包括設定分析作業名和標題，定義單元類型、定義材料屬性、建立三維模型、劃分有限元網格。

3.1、設定分析作業名和標題

打開ANSYS軟件進入ANSYS操作界面，首先從主菜單中選擇【Preferences】命令，勾選Structural。然后從實用菜單中選擇【Change Jobname】命令，將文件名修改為Ktzj，從實用菜單中選擇【Change Title】命令，將標題修改為Ktzj。

3.2、定義單元類型

在進行有限元分析時，首先應根據分析問題的幾何結構、分析類型和所分析的問題精度要求等，選定適合具體分析的單元類型。本文中選用8節點六面體單元Solid185。

3.3、定義材料屬性

由于空調支架所用材料為45#鋼，故可查得45#鋼的彈性模量為210Gpa，泊松比為0.3。從主菜單中選擇Preprocessor>Material Props>Material Models命令，打開定義材料模型屬性窗口，對材料彈性模量和泊松比進行設置。

3.4、導入空調支架的三維實體模型

在SolidWorks中建模后導入ANSYS中進行分析，選擇ANSYS，菜單→File→Import→PARA→選擇liangan.x_t→OK

3.5、生成實體

菜單PlotCtrols→Style→SolidModles Facts→選擇Normal Faceing→OK：然后菜單→Plot→Volunes→OK建模

3.6、實體模型網格劃分

從主菜單中選擇Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令，打開“Mesh Tool”（網格工具），勾選“Smart Size”滑標值默認設置為6，“Mesh”的對象選擇“Volumes”，“Shape”選擇“Tet”“Free”，然后單擊【Mesh】，打開實體選擇對話框，單擊【Pick All】按鈕對空調支架模型進行網格劃分。

四、空調支架模型的有限元分析

本次進行的是空調支架的靜力分析，在SolidWorks中建模后導入ANSYS中進行分析，劃分合適的網格并分析，最終根據空調支架模型有限元分析的結果對支架進行強度校核以及結構優化。

空調支架模型網格劃分完之后，接下來將對其進行有限元分析，其內容包括定義載荷及邊界條件、求解、查看結果等。

4.1定義載荷及邊界條件并求解

由于在這只對空調支架的一側進行分析，即一側支架承受空調重量一半的載荷，因此就可以算出加載到長為340mm寬為50mm長方形面上的面載荷。即：

根據空調支架的特點，在這對支架的邊界條件進行簡化，將支架靠近墻壁一側端面的自由度全部約束。

下面為定義載荷及邊界條件的具體操作：

從主菜單中選擇Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Areas彈出拾取對話框，拾取所需加載面，輸入上文計算出的壓力值。接著對支架靠近墻壁一側的端面進行約束，從主菜單中選擇Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Areas彈出拾取對話框，拾取支架靠近墻壁一側的端面對自由度全部約束。

然后對其進行求解，從主菜單中選擇Solution>Solve>Current LS命令，打開一個確認對話框和狀態表，查看列表中的信息確認無誤后，單擊【OK】按鈕，開始求解。求解完成后打開求解結束對話框，單擊【Close】按鈕，關閉提示求解結束對話框。

4.2查看結果

4.2.1查看總變形

4.2.2瀏覽節點上的Von Mises應變值。

執行Main Menu-General Posproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu設置好后單擊OK按鈕，生成結果

4.2.3瀏覽節點上的Von Mises應力值。

執行Main Menu-General Posproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu，設置好后單擊OK按鈕，生成結果。

五、強度校核以及結構優化

由于空調支架所用材料為45#鋼，根據《機械設計課程設計手冊》可查得其抗拉強度為600MPa。從上面的應力應變有限元分析結果分析可以算得支架在Y方向上的最大應力為158MPa，第一主應力最大值為為395MPa，兩者均遠小于其許可應力。因此空調支架滿足支撐強度要求，無需對其進行結構優化。

參考文獻：

[1] 邱宣懷等.機械設計.北京：高等教育出版社，1997年，第四版，204-232