CAE仿真在空調電機支架優(yōu)化設計中的應用
1、概述
用戶對高品質生活的極致追求以及國家能效標準的提高，使得空調室外機的噪音性能越來越多的受到關注。振動小、噪音低的特點，對作為室外機重要組成部分的電機支架提出了更高的要求。同時，在競爭極其激烈的家電行業(yè)，不斷追求技術革新以及成本控制，運用先進的技術提高產(chǎn)品性能，并能采用較低的開發(fā)成本，是優(yōu)勢企業(yè)孜孜追求的目標。
本文嘗試從理論出發(fā)，采用HyperWorks/OptiStruct對某型號空調電機支架進行了拓撲優(yōu)化及形貌優(yōu)化設計，有效提高了其剛度，并使得支架重量減輕，取得了良好的效果。
2、拓撲優(yōu)化設計
（1）拓撲優(yōu)化技術簡介
拓撲優(yōu)化技術是優(yōu)化技術中具有創(chuàng)新性的技術，在給定的設計空間內找到最佳的材料分布，或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設計。
優(yōu)化設計的三要素：設計變量、設計約束和設計目標。因此，要確定支架優(yōu)化方案首先就要確定設計的三要素。本文拓撲優(yōu)化的材料模式采用密度法，即將有限元模型設計空間的每個單元的“單元密度”作為設計變量。
本次支架優(yōu)化設計流程如下：
圖1優(yōu)化設計流程圖
（2）電機支架模型拓撲優(yōu)化
該電機支架原始結構及有限元模型如圖2和圖3所示，在電機固定中心分別施加單位轉矩，計算該支架的剛度以及在單位轉矩激勵下的頻率響應。
圖2電機支架原始幾何機構及FEM模型
定義設計變量：綜合考慮電機支架的工作狀況，選擇電機給予支架轉矩作為目標工況，將支架上除固定電機外的區(qū)域作為設計區(qū)域，如圖所示。紅色區(qū)域為可以作為拓撲優(yōu)化的設計區(qū)域，藍色區(qū)域為非設計區(qū)域。在材料尋優(yōu)過程中，將材料分布的方式對稱模式的約束PatternType定義為一平面對稱(1-plnsym)。
圖3電機支架拓撲優(yōu)化模型
定義響應：定義整個支架的一階彎曲模態(tài)為響應mode，定義支架中間側板某點的頻響為響應Freqresp。
定義設計約束、設計目標：設計約束為響應mode的下限，即優(yōu)化出來的結構的一階彎曲模態(tài)不小于原始結構的模態(tài)；設計目標為側板中間某點最大頻響最小化，即最大Freqresp最小化。
拓撲優(yōu)化結果：
通過拓撲優(yōu)化分析，得到如圖所示材料分布云圖，通過幾何重構并重新劃分網(wǎng)格，畫出拓撲優(yōu)化后的支架FEM模型，如圖4所示。
圖4支架拓撲優(yōu)化云圖及幾何重構后的FEM模型
3、形貌優(yōu)化設計
（1）形貌優(yōu)化技術簡介
形貌優(yōu)化技術廣泛應用于提高各種沖壓板件的性能。
在形貌優(yōu)化中，設計空間由大量的節(jié)點波動向量組成，這些節(jié)點波動向量按照一定的模式進行組合以滿足設計約束，并最終生成優(yōu)化后的最佳形貌。
（2）支架形貌優(yōu)化
針對拓撲優(yōu)化后的電機支架，為進一步提高其剛度，對其進行形貌優(yōu)化，在拓撲結構基礎上增加加強筋的設計。在形貌優(yōu)化進行過程中，同樣需要定義設計變量、設計約束和設計目標：
定義設計變量：以支架實際固定在機器上的狀態(tài)考察約束模態(tài)工況，固定支架兩端打螺釘部位，進行模態(tài)分析。同樣將支架上除固定電機之外的區(qū)域作為設計區(qū)域，如圖5所示，圖中顏色區(qū)域為設計區(qū)域，顏色區(qū)域為非設計區(qū)域。同樣，在起筋優(yōu)化時，選擇筋的對稱模式的約束為一平面對稱(1-plnsym)。
圖5支架形貌優(yōu)化模型
定義響應：定義支架在約束模態(tài)工況下的第一階彎曲模態(tài)為響應mode。
定義設計目標：定義設計目標為響應mode最大化，即支架一階模態(tài)最大化。
形貌優(yōu)化結果：OptiStruct優(yōu)化給出的起筋云圖如圖6所示，筋的分布基本是對稱的，對照此云圖可對支架進行幾何重構。
圖6支架形貌優(yōu)化云圖
4、優(yōu)化結果驗證
結合以上拓撲優(yōu)化及形貌優(yōu)化得到的支架結構，對其進行約束模態(tài)分析及頻響分析，將結果與優(yōu)化前的結構進行對比。
（1）約束模態(tài)分析結果
計算結果可知，在同等厚度情況下，優(yōu)化后支架的一階彎曲頻率為49.2Hz，優(yōu)化前為32.1Hz，優(yōu)化后支架的二階扭轉模態(tài)為65.1Hz，優(yōu)化前為60.6Hz，前兩階主要模態(tài)均有較大的提升。
（2）頻響分析結果
圖7優(yōu)化前后支架中部某測點的頻響
分析得知，在工作轉速關聯(lián)頻域（虛線紅圈內），優(yōu)化后支架中部某測點頻響相比原始結構有62.8%的下降，振動量改善較大，更有利于電機工作穩(wěn)定。
5、結論
本文通過理論工具并結合數(shù)值模擬的方法，對空調電機支架進行了有效的拓撲優(yōu)化及形貌優(yōu)化設計，找到了最佳的材料分布形式及最優(yōu)的加強筋方式。經(jīng)過優(yōu)化后的新支架的結構，與原始結構的空調支架相比，厚度相同，重量下降4.6%↓，剛度性能提升53.2%↑，側板振動量下降62.8%↓，結果如下表所示：
表1電機支架優(yōu)化結果
綜上所述，本文應用HyperWorks軟件OptiStruct模塊對空調支架進行了成功的嘗試，采用拓撲優(yōu)化與形貌優(yōu)化結合的方法，可以高效快速的尋找材料最佳分布方式及形貌，為設計者提供新的設計開發(fā)的思路，在確保性能的前提下，可以顯著提高設計的效率，節(jié)約樣機，大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。該方法可以推廣到其他類似零部件的工程設計中去，具有良好的工程設計指導意義。
本文出自深圳有限元科技有限公司官網(wǎng)：tahoetailsandtrails.org 轉載請注明
