高旭 楊春生 熊軍

(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

家用柜式空調(diào)鈑金件減振降噪設(shè)計(jì)研究

高旭 楊春生 熊軍

(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

基于CAE仿真分析技術(shù)對(duì)某型家用柜式空調(diào)鈑金件動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)合噪聲診斷分析結(jié)果，通過改變加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鈑金件的模態(tài)振型優(yōu)化，提升了鈑金件的減振降噪性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)優(yōu)化后，空調(diào)鈑金件噪聲振動(dòng)輻射降低，空調(diào)內(nèi)機(jī)聲品質(zhì)明顯改善。

振動(dòng)與波；空調(diào)；CAE；減振降噪

1 引言

隨著生活品質(zhì)的提升，人們對(duì)家用電器的品質(zhì)要求也越來(lái)越高，更加關(guān)注家用電器的聲品質(zhì)。對(duì)于家用電器企業(yè)來(lái)說，產(chǎn)品具有良好的聲品質(zhì)無(wú)疑對(duì)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的提升有很大幫助。

空調(diào)產(chǎn)品也不例外，消費(fèi)者對(duì)聲品質(zhì)的要求有增無(wú)減。由于我國(guó)相對(duì)電網(wǎng)諧波含量要求標(biāo)準(zhǔn)較寬，監(jiān)管也缺失，對(duì)于不同區(qū)域、不同時(shí)候電網(wǎng)諧波含量偏高引起電源畸變，導(dǎo)致近年來(lái)柜內(nèi)機(jī)噪音問題突出，一方面可提高電機(jī)的抗諧波能力；另一方面降低鈑金件響應(yīng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能。

針對(duì)鈑金件等板材振動(dòng)與噪聲輻射的關(guān)系，也是振動(dòng)控制研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度研究振動(dòng)與噪聲輻射的關(guān)系，希望揭示其內(nèi)在的聯(lián)系，找到一個(gè)直接衡量聲輻射的物理量。有的學(xué)者利用FEM、BEM仿真技術(shù)研究加筋板與聲輻射的關(guān)系[1]；有的學(xué)者通過模型振型優(yōu)化，需求降低聲輻射的方法，也提出了聲輻射模態(tài)與噪聲輻射關(guān)系[2][3][4][5]等等。

本文結(jié)合柜內(nèi)機(jī)存在的“嗡嗡聲”問題，從響應(yīng)端分析后板的壓筋參數(shù)，利用有限元?jiǎng)恿W(xué)分析技術(shù)對(duì)后板結(jié)構(gòu)進(jìn)行固頻、振型優(yōu)化，提升后板的減振降噪性能，提升空調(diào)的聲品質(zhì)。

2 壓筋參數(shù)研究

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能決定于結(jié)構(gòu)形式，針對(duì)空調(diào)零部件所采用的鈑金件存在以下兩個(gè)問題：（1）鈑金件厚度?。?.6～1.15mm）；（2）鈑金件的面積大。

以上問題不僅導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，使得減振降噪性能差。在不增加成本的前提下，通過增加加強(qiáng)筋

設(shè)計(jì)改變結(jié)構(gòu)性能。但如何保證在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加強(qiáng)的同時(shí)，又能提升結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、聲學(xué)性能，有必要從壓筋的參數(shù)（壓筋深度（h）、壓筋寬度（b））方面進(jìn)行優(yōu)化研究。考慮到回彈變形問題，模具工藝對(duì)壓筋深度有具體要求，本文僅研究壓筋的寬度變化對(duì)結(jié)構(gòu)固頻及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。

圖2 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)模型

圖3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)模型

表1 結(jié)構(gòu)模態(tài)固頻對(duì)比表

表2 不同筋寬諧響應(yīng)分析結(jié)果

表3 原后板固有頻率一覽表

表4 優(yōu)化后板固有頻率一覽表

2.1 有限元模型簡(jiǎn)化及建立

結(jié)合柜機(jī)噪聲振動(dòng)傳遞路徑分析，從激勵(lì)端到響應(yīng)端，一條重要的且和“嗡嗡聲”直接相關(guān)的傳遞路徑：電機(jī)→減振膠墊→定位螺栓→后板，因此電磁“嗡嗡聲”問題的處理，將分析模型簡(jiǎn)化為后板及電機(jī)模型。

對(duì)分析簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮鈑金件面積大且薄，采用殼單元shell63進(jìn)行模擬；電機(jī)主要考慮質(zhì)量的影響，同樣采用殼單元shell63模擬，質(zhì)量采用修正材料密度保證等質(zhì)量，所建立的有限元模型如圖1所示。

邊界約束：后板采用四邊全位移約束，電機(jī)與后板間通過節(jié)點(diǎn)耦合方式連接。

2.2 不同壓筋參數(shù)下的動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1 不同壓筋參數(shù)下的模態(tài)分析

不改變后板壓筋方式，僅更改壓筋寬度進(jìn)行模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見表1，重點(diǎn)對(duì)比激勵(lì)頻率100Hz附近的固頻。

表1仿真數(shù)據(jù)對(duì)比表明：

（1）在加強(qiáng)筋的寬度為26、28、30mm時(shí)，結(jié)構(gòu)的固有頻率偏離電機(jī)激勵(lì)頻率100Hz幅度較

大，不易引起共振；

（2）同時(shí)考慮到仿真過程中對(duì)螺栓連接的模擬與實(shí)際連接有所差異，實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度有所上升。

綜合分析認(rèn)為加強(qiáng)筋寬度為26、28、30mm時(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)激勵(lì)頻率得到有效規(guī)避。

2.2.2 不同壓筋參數(shù)下的諧響應(yīng)分析

為確定結(jié)構(gòu)在諧波載荷作用下，結(jié)構(gòu)位移以及應(yīng)力的變化情況進(jìn)行了諧響應(yīng)分析。模態(tài)分析結(jié)果表明壓筋寬度為26、28、30mm時(shí)較優(yōu)，因此針對(duì)以上情況進(jìn)行諧響應(yīng)分析。所選電機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)N90X，技術(shù)參數(shù)為輸出功率64W，轉(zhuǎn)速530r/min，轉(zhuǎn)矩1.15N·m。仿真施加的載荷為扭矩1.15N·m，頻率為100Hz。

分析結(jié)果如表2，表明：

（1）不同的壓筋寬度諧響應(yīng)分析結(jié)果相比，加強(qiáng)筋為28mm結(jié)果最優(yōu)；

（2）壓筋寬度為28mm時(shí)，諧響應(yīng)分析結(jié)構(gòu)的最大位移、最大應(yīng)力分別為0.00204mm、0.656027MPa。

（3）結(jié)果也表明電機(jī)安裝部位數(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，需進(jìn)一步加強(qiáng)，考慮在凸包處壓十字筋。

3 某機(jī)型柜式空調(diào)內(nèi)機(jī)鈑金件優(yōu)化分析

對(duì)售后反饋存在噪聲問題的機(jī)型，進(jìn)行加強(qiáng)筋優(yōu)化，并通過固頻、振型分布確認(rèn)最優(yōu)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化

分析結(jié)果表明壓筋寬度設(shè)置為28mm最優(yōu)，壓筋形式采用“井”字型結(jié)構(gòu)，減少筋條間的寬度，減少筋條間的變形，優(yōu)化前后模型見圖2、圖3。

3.2 有限元模態(tài)分析

根據(jù)前述分析結(jié)果，評(píng)估后板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，電機(jī)影響較小，因此直接針對(duì)后板及其加強(qiáng)零件建模分析，如圖4、5，評(píng)估固頻、振型情況。

優(yōu)化前后的分析結(jié)果見表3、表4，結(jié)果表明：

（1）優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度大幅度改善，低階固頻由15.7Hz提升至26.8Hz；

（2）固頻方面與激勵(lì)頻率（100Hz）相比，優(yōu)化后較接近激勵(lì)頻率，但振型得到明顯改善，振動(dòng)最大區(qū)域位于底部，考慮到底部安裝基座為塑料件利于振動(dòng)能量耗散，在上部大范圍區(qū)域振動(dòng)較小。

綜上，結(jié)合固頻、振型分布優(yōu)化后方案總體效果優(yōu)于優(yōu)化前。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化前后的后板裝機(jī)進(jìn)行噪音對(duì)比測(cè)試，因篇幅有限，本文僅對(duì)比優(yōu)化前后低、高風(fēng)檔的噪音情況。如圖6、7所示，試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果表明：優(yōu)化后的后板與優(yōu)化前，噪音總值有所降低，且電磁噪聲（100Hz、200Hz、300Hz）峰值不明顯，整機(jī)聲品質(zhì)得以提升。

4 結(jié)論

通過對(duì)柜式空調(diào)內(nèi)機(jī)后板鈑金件有限元?jiǎng)恿W(xué)分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比分析結(jié)果表明：

（1）改變壓筋參數(shù)即壓筋寬度，模態(tài)、諧響應(yīng)分析結(jié)果表明，在鈑金件厚度不改變的情況下，筋寬28mm綜合效果最優(yōu)；

（2）在壓筋結(jié)構(gòu)布局方面，仿真及試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證采用“井”字型壓筋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度得到大幅度提高，利于減振降噪；

（3）柜內(nèi)機(jī)減振降噪分析表明，電機(jī)的安裝位置的強(qiáng)度對(duì)整體減振隔振具有重要意義，需重點(diǎn)考慮該處的振型及剛度[6]；

（4）鈑金件的減振降噪不單需要考慮固頻偏離電機(jī)激勵(lì)頻率，防止共振，由于所采用鈑金件厚度薄，模態(tài)密度高，有時(shí)很難避開激勵(lì)頻率，因此降噪更為重要的需要優(yōu)化振型，避免出現(xiàn)較大振動(dòng)集中區(qū)域。

圖4 原后板綜合振型（102Hz）

圖5 優(yōu)化后板綜合振型（99.5Hz）

圖6 優(yōu)化前噪音情況（37.6dB(A) 23.7dB(A)/395.5Hz）

圖7 優(yōu)化后噪音情況（36.6dB(A) 21.9dB(A)/395.5Hz）

[1] 孫登敏. 基于FEM—BEM的加筋板結(jié)構(gòu)與聲輻射優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 南京：江蘇科技大學(xué)，2012:42-45.

[2] 左曙光等. 基于聲輻射控制的板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.40(1).

[3] 陳美霞等. 加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)與輻射噪聲關(guān)系分析[J]. 中國(guó)艦船研究，2007.2(5).

[4] 石煒. 矩形薄板的振動(dòng)與聲輻射研究及其控制[D].成都：西南交通大學(xué)，2010:6-15.

[5] 臧獻(xiàn)國(guó)等. 基于模態(tài)振型形狀優(yōu)化的結(jié)構(gòu)聲輻射控制[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010.46(9).

[6] 劉成武等. 壓縮機(jī)機(jī)體聲輻射的模態(tài)特性研究[J].流體機(jī)械，2006.34(12).

The research on vibration and noise control of sheet-metal design for floor-standing air-conditioner

GAO Xu YANG Chunsheng XIONG Jun
（Gree Electric Appliances, INC. of Zhuhai Zhuhai 519070）

Based on CAE simulation technology, dynamic analysis for sheet-metal of indoor unit of floor-standing airconditioner is done. According to the results of noise diagnostic analysis, modal shape optimization of sheet-metal parts is achieved by changing stiffener design parameters. So vibration and noise performance of sheet-metal parts are under control. The test results show that the noise and vibration radiation of the optimized sheet-metal is reduced because of modal shape optimization and the sound quality of indoor unit is significantly improved.

Vibration and wave; Air conditioner; CAE; Vibration and noise control