基于Patran空调室外机支架的有限元分析

付振山，于春玲

(威海职业学院，山东威海264210)



基于Patran空调室外机支架的有限元分析

付振山，于春玲

(威海职业学院，山东威海264210)

根据《空调器室外机安装用支架规范》对空调室外机支架进行了强度分析，采用Patran有限元软件进行了静力分析和屈曲分析，分析了在规范载荷下的强度和稳定性分析，计算结果表明强度和可靠性满足要求。

空调支架 静力分析 屈曲分析 有限元分析

0 引言

随着人们生活水平的提高，空调的使用越来越广泛，空调室外机室的安全性不容忽视。空调室外机一般采用支架支撑，且使用年限较长，因此支架的强度要满足要求。因支架结构简单常采用工程算法计算强度，方便快捷，同时也存在以下缺点：没有考虑到安装孔等技术细节对应力的影响；对结构中出现的应力集中计算不足；不能了解整体结构的应力分布等。有限元软件从3D实体出发，利用有限个小的互连子域替代整个求解域，从而克服了以上缺点，在工程中取得广泛应用。Patran软件具有强大的计算分析能力，能够模拟支架在载荷作用下各部分的应力和应变，分析支架在载荷作用下的稳定性。

1 静态分析

空调室外机支架一般挂在室外，主要承受室外机重力作用，重力载荷基本不变，因此采用静态分析法计算支架在重力作用下的应力和应变，分析强度是否满足要求。

1.1 建立空调支架的3D模型

空调室外机支架的3D模型采用SolidWorks软件建立，其结构由两块槽钢和一块等边角钢焊接而成的三角之架,竖槽钢上有3个φ12的固定孔，槽钢截面尺寸为63 mm×40 mm×4.8 mm，角钢截面尺寸为30 mm×30 mm×4 mm，材料为Q235碳素钢，弹性模量E=206 GPa,泊松比v=0.3，密度7.8 kg/mm3。三维模型建立后，导入Patran软件建立有限元模型，并通过Tetmesh划分单元网格。

1.2 载荷分析

支架用来支撑空调室外机，承受的载荷主要为空调室外机的重力，因安装在室外还要承受风载，有时还要承受安装维修人员的重量载荷。根据《空调器室外机安装用支架规范》规定：空调支架的承载能力不能低于空调器机组自重的4倍，使用寿命不得低于空调本身的使用寿命(10-12年)。空调室外机总重为62 kg，应该施加的载荷不小于2 480 N，因采用两相同的支架共同支撑，每个支架承受不小于1 240 N的重力载荷。

1.3 边界条件的建立

图1 施加边界和载荷的有限元模型

支架采用膨胀螺丝固定在墙上，可近似看作固定端约束，约束槽钢靠墙面X和Y方向的位移，限制固定孔边缘的6个自由度。载荷根据室外机固定支架的位置分成两个Z负向的集中载荷分别施加，添加了载荷和边界条件的有限元模型如图1所示。

1.4 有限元分析结果

对施加了边界条件和载荷的支架进行静力学分析，获得应力如图2所示，变形如图3所示，通过应力应变分析可知，空调支架最大应力为160 MPa，最大位移位于伸出端最外侧，为0.704 mm，由材料手册可知Q235的屈服极限是235 MPa，因此,该空调外支架强度满足要求。

图2 应力云图 图3 应变云图

2 屈曲分析

空调室外机支架属于薄壁件，而薄壁件在一定载荷下存在失稳，因此需要进一步分析该支架在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。因此进一步对该支架进行屈曲分析，掌握其在载荷作用下的稳定性。

Patran软件屈曲分析算法根据预加载荷和屈曲因子分析计算临界载荷。每个支架承受310 N的室外机自重，因此施加310 N预加载荷，按照支架的受力位置分成两个Z负向的集中载荷分别施加，选择分析类型为BUCKLING,分析前三阶的屈曲变形情况，其中前三阶的结果如图4-6所示。一阶屈曲因子为613.13，二阶屈曲因子为630.43，三阶屈曲因子为684.28，取一阶屈曲稳定载荷系数可以计算出该空调支架失稳的临界载荷约为F=190.03 kN，重新施加190.03 kN载荷进行屈曲分析，得出其一阶屈曲系数为0.999 4，其数值十分接近于1，如图7所示，从而进一步验证了该结构失稳的临界载荷约为190.03 kN，说明该空调支架在实际工况下并不会发生结构失稳的现象。

图4 一阶屈曲 图5 二阶屈曲

图6 三阶屈曲 图7 再次加载屈曲分析结果

3 结束语

根据《空调器室外机安装用支架规范》对空调室外机支架进行了有限元分析，根据工作情况首先采用静态分析进行强度分析，然后采用屈曲分析法分析载荷条件下的失稳和最大失稳载荷。分析结果表明支架强度满足要求。

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Finite element analysis of bracket of air conditioner outdoor unit based on Patran

FU Zhenshan, YU Chunling

Strength analysis is carried out for bracket of air conditioner outdoor unit according to the specification for bracket for installation of outdoor unit of air conditioner. Static analysis and buckling analysis are executed based on Patran software, and the strength and stabilization are analyzed under the standard load, the results show that strength and reliability meet the requirements.

air conditioner bracket, static analysis, buckling analysis, finite element analysis

TH122

A

1002-6886(2016)06-0068-03

付振山(1976-)，博士，副教授，研究方向：机械设计，有限元分析。

2016-07-02