空调支架的有限元分析

周亮

摘 要：由于空调支架为一个完全对称结构，空调的重量均匀分部在两侧对称支架上，因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析，同时也达到了简化空调支架分析的目的。本文分三部分完成：一，空调支架一侧的建模；二，利用有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析；三，根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。

关键词：完全对称结构 强度校核 结构优化

一、引言

19世纪，英国科学家及发明家麦可·法拉第，发现压缩及液化某种气体可以将空气冷冻，此现象出现液化氨气蒸发时，当时其意念仍留于理论化。1842年，佛羅里达州医生约翰·哥里以压所落成的新大楼设有中央空调。一名新泽西州的工程师Alfred Wolff协助设计此崭新的空气调节系统，并把技术由纺织厂迁移至商业大厦，他被认为是令工作环境变得凉快的先驱之一。被称为制冷之父的美国发明家威利斯·哈维兰德·卡里尔于1902年设计并安装了第一部空调系统，并于1906年得到注册专利。

目前市场上流通的空调支架的材质主要有3种：普通角钢材料，安全使用期一般为5年—7年；防锈能力较强的普通镀锌板，安全使用期一般为7年—10年；具有超强防锈能力的镀铝锌钢板或不锈钢材料，安全使用期约为10年—15年。

二、空调支架的特点分析

由于空调支架为一个完全对称结构，空调的重量均匀分部在两侧对称支架上，因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析，同时也达到了简化空调支架分析的目的。本次作业可以分三部分来完成：一，空调支架一侧的建模；二，利用有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析；三，根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。

三、空调支架的建模

本次进行的是空调支架的静力分析，在SolidWorks中建模后导入ANSYS中进行分析，划分合适的网格并分析，本文采用的有限元分析软件为美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件ANSYS15.0。建立模型包括设定分析作业名和标题，定义单元类型、定义材料属性、建立三维模型、划分有限元网格。

3.1、设定分析作业名和标题

打开ANSYS软件进入ANSYS操作界面，首先从主菜单中选择【Preferences】命令，勾选Structural。然后从实用菜单中选择【Change Jobname】命令，将文件名修改为Ktzj，从实用菜单中选择【Change Title】命令，将标题修改为Ktzj。

3.2、定义单元类型

在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本文中选用8节点六面体单元Solid185。

3.3、定义材料属性

由于空调支架所用材料为45#钢，故可查得45#钢的弹性模量为210Gpa，泊松比为0.3。从主菜单中选择Preprocessor>Material Props>Material Models命令，打开定义材料模型属性窗口，对材料弹性模量和泊松比进行设置。

3.4、导入空调支架的三维实体模型

在SolidWorks中建模后导入ANSYS中进行分析，选择ANSYS，菜单→File→Import→PARA→选择liangan.x_t→OK

3.5、生成实体

菜单PlotCtrols→Style→SolidModles Facts→选择Normal Faceing→OK：然后菜单→Plot→Volunes→OK建模

3.6、实体模型网格划分

从主菜单中选择Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令，打开“Mesh Tool”（网格工具），勾选“Smart Size”滑标值默认设置为6，“Mesh”的对象选择“Volumes”，“Shape”选择“Tet”“Free”，然后单击【Mesh】，打开实体选择对话框，单击【Pick All】按钮对空调支架模型进行网格划分。

四、空调支架模型的有限元分析

本次进行的是空调支架的静力分析，在SolidWorks中建模后导入ANSYS中进行分析，划分合适的网格并分析，最终根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。

空调支架模型网格划分完之后，接下来将对其进行有限元分析，其内容包括定义载荷及边界条件、求解、查看结果等。

4.1定义载荷及边界条件并求解

由于在这只对空调支架的一侧进行分析，即一侧支架承受空调重量一半的载荷，因此就可以算出加载到长为340mm宽为50mm长方形面上的面载荷。即：

根据空调支架的特点，在这对支架的边界条件进行简化，将支架靠近墙壁一侧端面的自由度全部约束。

下面为定义载荷及边界条件的具体操作：

从主菜单中选择Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Areas弹出拾取对话框，拾取所需加载面，输入上文计算出的压力值。接着对支架靠近墙壁一侧的端面进行约束，从主菜单中选择Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Areas弹出拾取对话框，拾取支架靠近墙壁一侧的端面对自由度全部约束。

然后对其进行求解，从主菜单中选择Solution>Solve>Current LS命令，打开一个确认对话框和状态表，查看列表中的信息确认无误后，单击【OK】按钮，开始求解。求解完成后打开求解结束对话框，单击【Close】按钮，关闭提示求解结束对话框。

4.2查看结果

4.2.1查看总变形

4.2.2浏览节点上的Von Mises应变值。

执行Main Menu-General Posproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu设置好后单击OK按钮，生成结果

4.2.3浏览节点上的Von Mises应力值。

执行Main Menu-General Posproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu，设置好后单击OK按钮，生成结果。

五、强度校核以及结构优化

由于空调支架所用材料为45#钢，根据《机械设计课程设计手册》可查得其抗拉强度为600MPa。从上面的应力应变有限元分析结果分析可以算得支架在Y方向上的最大应力为158MPa，第一主应力最大值为为395MPa，两者均远小于其许可应力。因此空调支架满足支撑强度要求，无需对其进行结构优化。

参考文献：

[1] 邱宣怀等.机械设计.北京：高等教育出版社，1997年，第四版，204-232