空调系统振动和噪声控制研究是当前的一个重要课题,研究空调系统的振动和噪声机理,了解其运行情况,对各零部件的疲劳和寿命进行估计,对结构和设计进行修正等研究都需要对空调系统进行振动建模.包括压缩机和换热器等主要部件在内的空调管路系统是空调系统室外机的主要部分,其振动建模具有极大的科研和工程意义. 现有的研究手段和方法还无法对压缩机和换热器内部的动力特性和热质交换进行有效的数学建模,实验模型成为主要研究方法.有效可行的空调管路系统振动建模需要考虑半实验半有限元分析模型.建立合适的半实验模型需要三个条件:一是管路部分的精确有限元模型;二是准确适合的实验模型,可以通过实验测试分析后得到;三是连接两个不同类型模型的有效方法.模态综合法可以连接这两种模型,但由于实验模型的自由度不完备性和实验模型存在误差,其应用于半实验模型时受到很大的限制.本文就是在这三个方面进行研究,解决了以上的问题,建立了整体管路系统的振动模型. 考虑到管路系统中的弯管部分由于加工过程中的塑性变形影响,其结构几何尺寸和物性会发生了变化,影响了管路系统模型的精度.在塑性变形理论、应力和应变关系分析的基础上,根据管路壁厚远远小于其截面半径的基础上而忽略了壁厚方向的应力,取塑性材料的泊松比为0.5,推导出了弯管的壁厚变化公式和截面的变形公式.壁厚变化和弯管的弯曲半R、管路截面名义半径r相关,并沿截面周向变化.弯管的截面变形为椭圆,根据模具的特点知其长轴半径保持为r,短轴半径6变短.分析弯管圆周的收缩率后简化椭圆周长公式,得出短轴半径6的表达公式.可见短轴半径6和R、与r相关. 根据弯管的振动模态实验,对弯管变形进行了校验,预先计算出不同型号的弯管的长短轴半径以便于管路的有限元模型建立.管路的示例表明考虑弯管变形公式使弯管部分有限元模型的刚度分布更趋于合理,精度比未考虑的模型大大提高. 通过实验和模拟指出,如果自由边界的吊绳弹性较大(刚度非常小)而不影响第1阶模态的话可以忽略吊绳的影响.如果刚度较大,则主要影响第1阶的模态测试值。指出激励力出现方向误差时会影响传递函数谱的质量.实验中传感器的质量会试验结果,由此提出了一个原点传递函数处理公式来消除传感器质量的影响. 采用切比雪夫正交多项式拟合频率响应函数,采用实模态分析最小误差方法估算出模态频率、模态质量、模态刚度、阻尼比矩阵和模态振型等参数.由实验结果来确定简单管当量弹性模量,发现当量弹性模量和管路直径成正比,原因在于小径的管由大径的管拉伸而成,拉伸后退火引起弹性模量变小.假定实验结构的阻尼为比例阻尼,测试得出了各部件在自由边界和安装后的系统阻尼比,对实验的阻尼比进行数据拟合,根据最小二乘法得到阻尼比随频率的变化曲线:对比安装前后的阻尼比变化,可见安装后的管路组件阻尼比增加,且低频变化较大而高频变化较小. 由于激励力的能量分布问题,对复杂结构采用单点激励无法得到全部整体模态,需要采用多点激励.由于管路系统是一个复杂的空间结构,实验中对激励点和测试点均进行了优化,根据最佳激励点ODP和平均驱动自由度速度ADDOFV来确定最佳的激励点和测试点.本文采用了分区模态综合法来综合多个不同方向的单点激励实验得到整体模型模态实验结果,结果得到更多的实验模态.对整机进行实验,得到整个管路系统的实验模型,由实验分析得到的模态参数和实际响应来校验整体半实验模型和其振动分析结果.对管路系统各连接部分进行实验,得到管路系统基座的实验模型用于整体模型的建立. 半实验模型需要把实验模型和有限元模型进行结合,而模态综合法则是一种行之有效的方法.模态综合法建立半实验模型存在两个问题:模态振型矩阵自由度空间不完备性和实验模型存在误差.根据传递函数矩阵的对称性和秩一定的前提下,证明了在只有力激励下只要得到位移和转角响应,就可以得到整个系统的全自由度传递函数矩阵(包括力激励和力矩激励、位移响应和转角响应之间的传递函数矩阵),根据传感器的空间布置可以由位移响应间接估算转角响应,由此解决了模态振型矩阵自由度空间不完备性问题. 由转角估算的差分表达式,分析系统误差和舍入误差的影响知:测点之间的间距耐于不同的振型各有一个最优值.解决方案就是在振型二阶连续和边界条件已知的前提下,可以对振型进行空间的曲线拟合来减小边界点位移误差和转角估算误差,对实验的要求就是测试尽量多的测点,通过分析来确定合适的d.由于传感器方向和坐标轴之间存在夹角误差、激励力存在和坐标轴的夹角误差以及实际结构的非对称性等因素的影响,方向误差会影响数据的采集和分析结果.定义一个相对振幅参数R<,v>,意义为某一阶模态的非主振动方向的运动相对于主振动方向运动的比重,如果R<,v><20﹪,可以认为副振动方向的振动是由实验误差所致,其相应的转角则被忽略.通过预先知道的关于模态振型的知识可以对模态振型进行修正,这就是模态振型二次校正,它把实验测试和估算值同预先知道的知识和经验结合起来,减小了转角的估算误差. 得到精确有限元管路模型和基座的实验模型后,通过转角估算模态综合法建立了空调管路系统的半实验半有限元振动模型.模型的振动分析结果和实验结相比较,结果显示该振动模型可以很好地描述实际的振动情况,清楚地区分即使非常接近的模态.分析了管路系统的强迫位移载荷和管内流体激励载荷,在压缩机的排吸气管口强迫位移振幅一定和管内流体压力脉动振幅一定的情况下,对管路系统施加这两种载荷并进行振动响应分析,分析结果显示管内流体激励载荷是管路系统的振动幅值变大.以管路系统的振动速度响应为边界,建立管路系统的辐射噪声边界元(BEM)模型,分析后得到前面板侧面板上的声压分布和声压频谱,有助于空调系统室外机的噪声控制研究.在点45增加质量块后重新进行振动响应分析,对比前后的分析结果发现增加质量块后,振动频率成分没有大的变化,共振频率略有变小,主要频率成分的幅值变小,合理选择减震质量块可以减小共振的幅值. 总之,建立包括压缩机、换热器等连接部件的管路系统的半实验半有限元振动模型是可行的.