（机械设计及理论专业论文）空调管路系统振动建模与分析.pdf

摘要 空调管路系统振动建模与分析 摘要 窄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，口j 。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 完各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丫变化，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径尺、 管路截面名义半径r s n 关，并沿截面周向变化。弯管的截面变形为椭圆，根 i 海交通人学中诸博十学位论文 据模具的特点知其长轴半径保持为 短轴半径b 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b 的表达公式。+ 可见短轴半径b 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l 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0 d p 和平均驱动自 由度速度a d d o f v 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 捅要 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，就町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d 对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风，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 ， 2 0 ， 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( b e m ) 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4 5 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。 关键词：空调管路系统，振动模型，模态综合法，转角，塑性变形分析， 材料物性参数 d y n a m i cm o d e l i n g a n d a n a l y s i sf o ra i r c o n d i t i o n e rp i p i n gs y s t e m a b s t r a c t t h em o s tp o p u l a rr e s e a r c h i n gp r o j e c t sf o ra i rc o n d i t i o n e rn o i s ea n d v i b r a t i o na r et h a tf i n d i n gt h ep r i n c i p l eo ft h ev i b r a t i o na n dn o i s e t o d e s c r i b et h er u n n i n gs i t u a t i o na n dp r e d i c tt h ev i b r a t i o na n dn o i s el e v e l ，t h e f a t i g u e l i f eo ft h e c o m p o n e n t s i n a i rc o n d i t i o n e r , a n dr e v i s i n gt h e d e s i a g n i n ga n ds t r u c t u r e s t h ea i rc o n d i t i o n e ri sc o m p l i c a t e d a n dh a s m u l t i n o i s es o u r c e s ，s oi ti sd i f f i c u l t t od e s c r i b e t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e o fn o i s ef o ri t a c c o r d i n gt ot h es o u r c e s ，t h e r ea r et h r e et y p e so fn o i s ei na i r c o n d i t i o n e r s ，w h i c ha r es t r u c t u r a ld y n a m i cn o i s e ，a e r o d ) ，n a m i cn o i s ea n d f l u i dt h r o t t l en o i s e w ef o c u so nt h ed y n a m i ca n a l y s i sm o d e lf o rt h ea i r c o n d i t i o n e rp i p i n gs y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sc o m p r e s s o r ，h e a te x c h a n g e r ， v a l v e sa n do t h e rm a i nc o m p o n e n t si nt h ea i rc o n d i t i o n e ro u t d o o ru n i t ，a n d i ti st h ep r i m a r yp a r ta n dt h em o s ti m p o r t a n tn o i s es o u r c e s a sar e s u l tt h e r e s e a r c hw o r kh a sg r e a ts c i e n t i f i ca n de n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e i t i sd i 塌c u l tt os e tu pm a t h e m a t i c a lm o d e l st od e s c r i b et h eh e a t c a l o r i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e sf o rc o m p r e s s o r sa n dh e a te x c h a n g e r s ，s oa s e m i e x p e r i m e n t a lm o d e li su s e dt oa n a l y s et h ep i p i n gs y s t e m t h e r ea r e t h r e ec o n d i t i o n sn e e d e dt os e tu dt h ea i rc o n d i t i o n e rp i p i n gs y s t e m ，w h i c h a r et h ee x a c tf em o d e lf o rl ；i p i n gs y s t e m ，t h ea p p r e c i a t ee x p e r i m e n t a l m o d e lf o rt h eb a s e sa n dt h em e t h o dt oc o u p l et h ee x p e r i m e n t a lm o d e l sa s w e l la st h ef eo n e s c o m p o n e n tm o d es y m h e s i sm e t h o di st h er i g h t m e t h o d ，b u ti th a ss o m ep r o b l e m si na p p l y i n gt os e m i - e x p e r i m e n t a l o r e x p e r i m e n t a lm o d e l sb e c a u s e o ft h ed o f s s p a t i a li n c o m p l e t i o n t h i st h e s i s w i l ld i s c u s st h et h r e ec o n d i t i o n sa n ds o l v et h ep r o b l e m st os e tu pt h ee n t i r e _-_-，_-_-一 v s e m i e x p e r i m e n t a lf e m o d e lf o r t h ep i p i n gs y s t e m f i r s t l y ，w ec a r r i e do u t ap l e n t yo fe x p e r i m e n t st ov a l i d a t et h ef e m o d e lf o rs o m ec o m p o n e n t s t h er e s u l t so ft h es a m p l ep i p ee x p e r i m e n t s v e r i f i e dt h em a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h ep i p e ( d e n s i t y , e l a s t i cm o d u l u s ，e t c ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fa s s y la n da s s y 2w i t hf r e e f r e eb o u n d a r y c o n d i t i o n sv e r i f i e dt h ef em o d e lo ft h ec o m p o n e n t so ft h ep i p i n gs y s t e m a n di m p l i e dw h e t h e rt h ee x a c tp i p i n gs y s t e mf em o d e li sa p p r o c i a t e w h i l ec a r r y i n go u tt h ee x p e r i m e n t s ，t h ee x c i t i n gp o w e ri sc o n s i d e r e d t h e t o t a lm o d e sc a nn o tb eo b t a i n e db ys i m o ( s i g a li n p u tm u l t yo u t p u t ) m e t h o db e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h ee x c i t a t i o np o w e r t h eo d p ( o p t i m a ld r i v i n gp o i n t ) ，a d d o f v ( a v e r a g ed r i v i n gd o f v e l o c i t y ) a n d a d d o f a ( a v e r a g ed r i v i n gd o f a c c e l e r a t i o n ) a r ed e f n e dt of i n dt h e o p t i m a le x c i t i n gp o i n ta n dt h ep o i n t sw h e r ew ep l a c et h ea c c e l e r o m e t e r s t h e nt h ei n f l u e n c e so ft h em a s so ft h ea c c e l e r o m e t e ra n de l a s t i c m o d u l u sr e m ) o ft h er o p e sa r ed i s c u s s e d i ft h ee mo ft h er o p ei s1 0 w e r e n o u g ht h a tt h ei n f l u c e so f f i r s tm o d ei sn o tc h a n g e d ，t h ei n f l u e n c e so ft h e r o p ec a nb ei g n o r e d 1 f t h ee mo ft h er o p ec a nn o tb ei g n o r e d ，o n l yt h ef i r s t m o d ei sa f f e c ts i g n i f i c i e n t l y i f t h ea c c e l e r o m e t e r sm a s si sn o t s i g n i f i c i e n t l ys m a l lt h a nt h es a m p l e ，t h em a s sc a nn o tb ei g n o r e d u s u a l y t h em a s si sc o n s i d e r e di nt h ef em o d e l t h e na ne q u g t i o nd e a l i n gw i t ht h e f r y s ( f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n 、w i l lw e a k e nt h e m a s si n f l u e n c e s c h e b y s h e vp o l y n o m i a l sa r eu s e dt of i tt h ef r f s ，t h e nm o d a la n a l y s i s i sc a r r i e do u ta n dt h em o d a lp a r a m e t e r s ，m o d a li t i a s s ，f r e q u e n c i e s ，s t i f f n e s s ， d a m p i n gr a t i oa n dm o d a lv e c t o r s ，a r eo b t a i n e d t h e nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r eu s e dt ov e r i f yt h em a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h ep i p e s w ef i n dt h a t t h ee mi sl i n e a rd e p e n d e n tw i t ht h eo u t e rd i m a t e ro ft h ep i p e t h er e a s o n s 1 i ei nt h a tt h et h i np i p ei sd r a w nb yt h ew i d eo n ea n dt h ee mb e c o m e s l o w e rb e c a u s eo fd r a w i n gp r o c e s s w h e ne x c i t i n g as t r u c t u r e ，e s p e c i a l l yu s i n gah a m m e r , t h e r ea r e a l w a y sm o d a lo m i s s i o n si nm o d a la n a l y s i sa sar e s u l to ft h ee x c i t a t i o n d i r e c t i o n sa n de x c i t a t i o np o w e rl i m i t a t i o n s p a r t i t i o nm o d es y n t h e s i si s i n t r o d u c e dt oe a s et h ep r o b l e m s t h e nw ee x c i t e dt h es t r u c t u r ei 1 3d i f f e r e n t a b sl k a c i d i r e c t i o n sa n du s i n gp a r t i t i o nm o d es y n t h e s i st oo b t a i nt h ee n t i r em o d a l r e s u l t s f u r t h e r m o r e m o r em o d e sf o re n t i r em o d e la r eg a i n e d s u p o s i n gt h es t r u c t u r ei sr a t i od a m p i n gs y s t e m ，t h ed a m p i n gr a t i o sa r e o b t a i n e db ye x p e r i m e n t s t h e nac u r v ei sm a d e nt of i tt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sb a s e do nl m sm e t h o d t w oc u r v e sw h i c ha r em a d e nf r o mp i p i n g s y s t e mw i t ht h ef r e e f r e eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ( b c s ) a n dr e a lb c sa r e c o m p a r e d ，a n dt h ec o m p a r i s o n ss h o wt h a tt h et w oc u r v e sh a v et h es a f f l e t r e n d sa n dt h eo n ef r o mr e a lb c sh a sh i g h e rd a m p i n gr a t i o s s e c o n d l y ，i nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f t h eb e n dp a r t ，t h et h i c k n e s s a n dt h ec r o s s s e c t i o na r e c h a n g e d d u et ot h ee l a s t i ca n d p l a s t i c d e f o r m a t i o n s b a s e do nt h ee l a s t i ca n dp l a s t i cd o f o r m a t i o no ft h eb e n dp a r t w h e nl n a n u f a c t u r e da n dt h ee o i s s o nr a t i oi se q u a lt o0 5 t h et h i c k n e s s d e f o r m a t i o no ft h eb e n dp a r ti sp r e s e n t e db yt h ep l a s t i cs t r e s sa n ds t r a i n a n a l y s i s t h et h i c k n e s so ft h eb e n di sr e l a t e dt ot h eb e n dr a d i u sr a n dt h e c r o s s s e c t i o nr a d i u sr f u r t h e r m o r et h ed e f o r m a t i o no ft h ec r o s s s e c t i o ni s c o n s i d e r e da sw e l l w bd e f i n et h ec r o s s s e c t i o ni se l l i p e a n dt h el o n g r a d i u si sra n dt h es h o r tr a d i u si sb t h ebi sr e l a t e dt ora n drt o o t h u st h e e x a c tf em o d e l sc o n s i d e r i n gt h et h i c k n e s sd e f o r m a t i o n sa n dc r o s s s e c t i o n d e f o r m a t i o n sf o rt h eb e n d sa r es e tu d t h em o d a la n a l y s i sr e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e s t h ec o m p a r i s o n ss h o wt h a tt h e e x a c tf em o d e lh a sh i g h e rp r e c i s i o nt h a nt h en o r m a lo n e s t h i r d l y , c o m p o n e n tm o d e s y n t h e s i si su s e dt oc o u p l et h ee x p e r i m e n t a l m o d e l sa n df em o d e l s a p p l y i n gc m si nf em o d e l sa r ep e r f e c t ，h o w e v e r t h e r ea r es o m e p r o b l e m s w h i l e a p p l y i n g c m sm e t h o dt o s e m i e x p e r i m e n t a lm o d e l s t h et w ok e yp r o b l e m si n c l u d ed e g r e e o f f r e e d o m s ( d o f s ) s p a t i a li n c o m p l e t i o na n de x p e r i m e n t a le r r o r si n f l u e n c e a f t e rw ea p p r o v e dt h a tt h es y m m e t r ye n t i r ef r fm a t r i xc a nb eo b t a i n e di f t h ed i s p l a c e m e n ta n dr o t a t i o n a la n g l ef r fm a t r i xa r eo b t a i n e do n l yt h e f o r c ee x c i t a t i o n sa r ea p p l i e d am e t h o do ne s t i m a t i n gr o t a t i o n a ld o f sb v f r f so ff o r c e e x c i t a t i o ni s p r e s e n t e d t os o l v et h ed o f s s p a t i a l i n c o m p l e t i o n a n dm o d a ls h a p er e n o r m a l i z i n gf o rr d o f s w i l lb eu s e dt o r e d u c et h ed i r e c t i o ne r r o r sw h i l ee s t i m a t i n gr d o f s t h e nt h em e t r i c a l e r r o r sw i l lb ea n a l y z e da n dr e d u c e d a na p p l i c a t i o nf o ra i rc o n d i t i o n e r p i p i n gs y s t e mi ss h o w n ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s c r e a t e db yc m sw i t l le s t i m a t i n gr d o f sf i tw e l lw i t ht h er e a lo n e s f u r t h e r m o r e ，t h es e m i e x p e r i m e n t a lf em o d e lf o rt h ee n t i r ep i p i n g s y s t e mi s s e tu p w h i l ec o n s i d e r i n gt h ef l u i d - s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ，t h e j u n c t i o nc o u p l i n g i sd i s c u s s e da n dt h ep o i s s o n c o u p l i n ga n df r i c t i o n c o u p l i n ga r ei g n o r e d w h e nt h ef l u i di sg a s t h em a s so ft h eg a si sm u c h s m a l l e rt h a nt h a to ft h ep i p e ，s ot h em a s so ft h eg a si s i g n o r e d t h e nt h e g a s si n f l u e n c ec a nb ec o n s i d e r e da se x c i t a t i o nf o r c ef o rt h ep i p i n gs y s t e m a p p l y i n gt h e f o r c e d d i s p l a c e m e n ti n t h ed i s c h a r g ea n ds u c t i o no ft h e c o m p r e s s o r , a n dt h eg a si n f l u e n c e sa r ec o n s i d e r e da st h ep r e s s u r ei nt h e s e m i e x p e r i m e n t a lm o d e l ，t h ev i b r a t i o nr e s p o n s ei so b t a i n e da f t e rt r a n s i e n t r e s p o n s ea n a l y s i s b a s e o nn o i s er a d i a t i o nm e t h o d ，t h en o i s e a n a l y s i s m o d e li ss e t u pb ys y s n o i s e ，w h i c ht h ev e l o c i t yv i b r a t i o n so b t a i n e d a b o v ea r ec o n s i d e r e da st h e b o u n d a r ye l m e n t s6 ft h en o i s em o d e l f u r t h e r m o r e ，t h en o i s e1 e v e l i sa c h i o v e da f t e rn o i s ea n a l y s i s i naw o r d ，t h es e m i - e x p e r i m e n t a la n ds e m i - f e d y n a m i ca n a l y s i sm o d e f o rt h ep i p i n gs y s t e mi sa c h i e v e d k e yw o r d s ：a i rc o n d i t i o n e r p i p i n gs y s t e m ，d y m a m i ca n a l y s i sm o d e l ， c m sm e t h o d ，r o t a t i o n a ld o f s ，e l a s t i ca n d p l a s t i cd e f o r m a t i o na n a l y s i s v l l i 主要符号表 l i i ii i i i i i i i i 宣i i i i i i i 鬲暑i i i i i i i i 宣i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i | i i i i i 置皇i | i i 萱i i | i 宣誓 主要符号表 a 管的横截面积( r a m 2 ) d 管的内径( m i l l ) 传感器间的间距( m ) d 管的外径( r a m ) ；管路材料的塑性变形模量( k g f m m 2 ) e 管的弹性模量( k g f h i m 2 ) ，频率( h z ) f激励力：管壁作用在流体微元上的单位长度的液体压力( n ) 西模态向量矩阵 币振型矢量 模态向量 h传递函数f r f i管的截面惯性矩( n m m 2 ) 刚度矩阵 l 管的长度( r a m l k ，系统的模态刚度系数 m 系统的模态质量系数 聊质量矩阵 ， 管的名义半径( m m l r弯管的弯曲半径( m m ) ； j i 。相对振幅参数( ) p管内流体压力( p a ) p 模态坐标 e管子中横向剪切应( n r a m 2 ) s 管子的内壁周界( m m ) t 扫描周期( s ) ：管路壁厚( 1 3 1 n 1 ) 管子中的纵向拉应力( n m m 2 ) x ，y ，z 三个坐标方向的位移( m m ) x ，y z 三个坐标方向的位移振动幅值( 衄) y ( x ，t ) 管的横向挠度( m m ) 0 ，口角度( r a d l 仃应力m ，m 对1 s 应变( m i n ) “泊松比 f管子内表面 = 的剪e j r 勤( n m m 2 ) p流体密度( k g m 3 ) v 恒定的流体流速( m s ) r脉冲宽度( s ) 频率( h z ) a特征值矩阵 f阻尼矩阵 妒附着模态 f 海交通人学申请博士学位论文空调管路系统的振动建模与分析 s u b s c r i p t ： a 部件a b 部件b c 第c 列数据 d 高阶保留模态 d 压缩机排气口 f 力激励 i 内部点 ，边界点 k 第1 k 阶模态 响应点 m 力矩激励 p 激励点 r 保留部分；径向 j 标准部分 s 压缩机吸气口 x 轴向 x 位移 口转角：周向 s u p e r s c r i p t ： ，保留部分 s 标准部分 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 役谂分 日期2 0 0 6 年1 7 肌泪 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属丁二 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 日期：2 0 0 6 年。7 月ll 日 诒脏夸 签 一莩 辇一 指 一肌手日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 空调管路系统振动建模的目的和意义 随着全球气候的逐渐变暖和生活水平的提高，空调正逐渐成为生活的必需品，在日 常生活中的地位日趋重要。空调的振动和噪声控制问题历来受到空调制造商和研究者的 关注。人们对生活水平要求和个人居住环境的改善日益提高，对中高档空调的噪声要求 越来越严格。近年来小型中央空调的迅速发展使空调器的制冷量趋势越来越大，压缩机 和管路系统、送风机等的振动和噪声水平逐渐变大，其振动和噪声控制问题显得尤为重 要。 现阶段。空调行业需要解决的问题可分为如下几个方面： 1 ) 环保噪声污染日益成为环境污染的主要因素，噪声控制也是环境保护的 一部分。 2 ) 能耗振动控制也是降低制冷机械的无用功耗，提高其运行效率的手段之 一，振动建模是节能设计的基础。 3 ) 寿命和疲劳分析对于运动和振动部件的应力分析可以预测运行状态的动 应力，由此束预测疲劳极限和部件的寿命。进一步作为部件设计和修正的 依据。振动建模是研究机构寿命和疲劳的前提。 4 ) 运行状况的稳定性也需要对空调系统进行建模，然后才是分析其运行状 况和判定运行状态。 对空调系统的振动和噪声机理进行研究，更好的了解空调系统的运行情况，更准确 地对空调系统各部件的疲劳和寿命进行预测，从而进行结构修正与改进，这已成为当前 空调系统振动和噪声控制研究的一个重要课题。 一般常用的空调系统均采用蒸气制冷方式，蒸气制冷分为蒸气压缩式制冷、蒸气吸 收式制冷和蒸气喷射式制冷三种。其中蒸气压缩式制冷由于效率高、实用性强和压缩机 等零部件制造技术的成熟发展，占到中央空调大部分和小型空调、家用空调的全部f j 。 蒸气压缩式制冷是利用逆卡诺循环原理通过制冷剂的相变( 气体和液体两相随温度和压 力变化) 来把热量从低温传播到高温，并利用压缩机压缩气体做功来完成制冷循环。蒸 游交通夫学申请博卜学佟论史窄髑管路系统振动建模与分析 气压缩式制冷空调的循环简图如图1 1 所示：图1 2 所示为一个空调室外机的管路系统部 分。 嚣一霹 压缩机 一。 函j j l 一查谪系椭循环衙图一 f i g 1 1c o o l i n gs y s t e mf o ra i rc o n d i t i o n e r 图1 2 空调系统室外机图 f i g 1 2o u t d o ru n i to f a i rc o n d i t i o n e r 空调系统属于典型的多噪声源动力机械，振动和噪声的机理异常复杂。总体来说。 按照声源的不同，噪声可以分为三种类型：结构动力噪声、空气动力噪声和节流噪声。 第1 币绪论 结构动力噪声主要是指由机械的旋转部分运动或制冷管路中的压力脉动引起结构振动 产生的噪声，这一类的噪声是空调系统的主要噪声源；空气动力噪声是指由送风系统产 生的流体噪声，对室内机的影响相对比较明显；节流噪声是指由管路中冷媒两相变化的 产生的射流噪声和涡流噪声，主要存在于室外机以及采用节流阀的室内机。 由此大部分的研究机构和制造商对空调系统振动和噪声的研究主要集中在如下三 个方面： 1 ) 压缩机和管路系统的振动和噪声控制 主要是对压缩机振动和嗓声的传播途径进行研究，涉及到吸气、排气流体脉 动以及管路的辐合等，问题非常复杂。一般采用的手段包括对结构进行修正或采 用附加阻尼质量块改变固有频率以减小共振，利用橡胶、毛毡、塑料等材料用于 吸声和隔声，进行被动噪声控制。 2 ) 送风系统的噪声控制 主要是对空气动力噪声和电机马达噪声的控制，包括风机、风道的减振降噪 技术。随着c f d 技术的发展，这一部分的振动和噪声问题得到了大大改进。 3 ) 冷媒流动噪声控制 主要为毛细管和膨胀阀等节流元件引起的冷媒的射流噪声和湍流噪声。通常 采用的方法是设计改进节流的压力差和流动状况，采用油泥进行吸声和隔声等措 施。 但是，单单靠经验和改进零部件来降低振动噪声和被动吸声隔振已经无法满足日 益发展的噪声控制需求。从整个空调系统，考虑多方面影响因素来研究振动机理，从而 进行振动和噪声控制已经刻不容缓，空调器特别是室外机管路系统的振动建模也提上了 日程。 总之，空调系统的振动和噪声控制研究具有重要的学术价值和工程意义。本文的 研究工作主要集中在包括压缩机、换热器在内的空调管路系统的振动建模研究，并以此 来对空调系统的振动和噪声控制提供有力的帮助。 1 2 国内外研究现状 在空调系统的振动和噪声控制方面，美国和日本等发达国家走在了世界前列。当前 的研究大多集中在元器件的噪声级控制上，如压缩机、管路系统的消声器等。对于大中 f 海交通，、学申请博 。学位论史守诵管路系统振动建模分析 型商用和家用空调器系统整体的振动和噪声控制研究方面还有很多不足。方面是由于 系统本身的结构复杂，流体对管路系统的影响也很复杂，难以建立符合要求的数学模型； 另一方面各部件