空調(diào)配管系統(tǒng)的減振研究與阻尼優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、配管是空調(diào)器的重要部件,也是空調(diào)器中最薄弱、最容易損壞的結(jié)構(gòu)件之一,一直以來(lái)配管都是空調(diào)器結(jié)構(gòu)開發(fā)過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。仿真設(shè)計(jì)是空調(diào)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)配管系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),可以減少不必要的物理樣機(jī)的制作,降低設(shè)計(jì)成本,縮短設(shè)計(jì)周期,加快新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的速度,從而增強(qiáng)企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。
　　 論文受日本Daikin空調(diào)“空調(diào)配管系統(tǒng)的動(dòng)力特性試驗(yàn)分析與有限元模擬”和“空調(diào)配管系統(tǒng)的減振設(shè)計(jì)研究”兩期項(xiàng)目資助。提出在配管表面局部

2、環(huán)繞粘彈性阻尼層吸收配管的振動(dòng)；對(duì)配管系統(tǒng)仿真研究的關(guān)鍵技術(shù)--配管系統(tǒng)的建模和阻尼層位置及形狀優(yōu)化進(jìn)行了研究,并通過(guò)了大量的試驗(yàn)和有限元對(duì)比驗(yàn)證了模型的正確性。論文是開發(fā)空調(diào)配管系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)、性能評(píng)估以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化平臺(tái)的重要組成部分,該研究從根本上改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,使得現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)進(jìn)行的同時(shí)就能對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)匹配的振動(dòng)性能進(jìn)行仿真評(píng)估。
　　 以環(huán)繞粘彈性阻尼層的空調(diào)配管為研究對(duì)象,開展了粘彈性復(fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算方法和

3、基于代理模型的復(fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性優(yōu)化等研究工作。論文從一類瀝青型粘彈性材料力學(xué)特性研究入手,開展了材料力學(xué)特性的試驗(yàn)研究,粘彈性本構(gòu)方程參數(shù)優(yōu)化以及模型參數(shù)驗(yàn)證等工作;進(jìn)而在已知材料力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)周向環(huán)繞阻尼層的U型管和多種型號(hào)的配管系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)研究和有限元建模工作；最后依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,對(duì)配管系統(tǒng)建立了三種近似模型,并以結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小和結(jié)構(gòu)阻尼比最大為優(yōu)化目標(biāo),利用遺傳算法開展了基于近似模型的多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。
　

4、　 論文首先利用機(jī)械動(dòng)態(tài)熱分析儀對(duì)試驗(yàn)中所用的瀝青阻尼片進(jìn)行材料力學(xué)性能分析,測(cè)試結(jié)果表明,這種瀝青阻尼片具有粘彈性材料的特點(diǎn),材料的彈性模量,損耗模量和損耗因子隨著頻率的增加呈遞增趨勢(shì),但增長(zhǎng)速度逐漸下降；當(dāng)溫度增加時(shí),彈性模量,損耗模量和損耗因子都迅速下降,且損耗因子β不存在明顯的峰值。基于材料的測(cè)試數(shù)據(jù),提出采用GA-BFGS混合算法對(duì)多目標(biāo)多參數(shù)的粘彈性模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。該算法對(duì)初始參數(shù)取值無(wú)限制,收斂速度快,具有全局收斂性,

5、適合多參數(shù)多峰值優(yōu)化問(wèn)題。文章對(duì)常用的STD模型、GHM模型和ADF模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,綜合分析認(rèn)為,ADF模型更適合作為此類瀝青阻尼片的本構(gòu)關(guān)系模型。
　　 為驗(yàn)證優(yōu)化所得到的ADF模型參數(shù)的有效性,采用粘貼自由層阻尼片的懸臂梁進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和有限元建模研究。懸臂梁試驗(yàn)與有限元計(jì)算表明,采用ADF模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,ADF模型可以較精確的描述該類阻尼材料的本構(gòu)關(guān)系。
　　 由于粘彈性材料力學(xué)特性隨頻率的變化而

6、變化,動(dòng)力特性分析時(shí)難以考慮結(jié)構(gòu)的頻變特性,為此,提出采用頻率迭代-模態(tài)應(yīng)變能-振型疊加相結(jié)合的方法計(jì)算粘彈性結(jié)構(gòu)固有頻率、阻尼比和動(dòng)力響應(yīng),即采用迭代法計(jì)算復(fù)合結(jié)構(gòu)的固有頻率;進(jìn)而基于模態(tài)應(yīng)變能法,求得模態(tài)阻尼比;最后在模態(tài)特性分析和阻尼特性分析的基礎(chǔ)上,采用模態(tài)疊加方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。通過(guò)對(duì)3種不同型號(hào)的U型管以及12種不同型號(hào)尺寸的空調(diào)配管系統(tǒng)的試驗(yàn)和有限元分析,研究了各種空調(diào)配管的固有特性,同時(shí)驗(yàn)證了所提出的有限元計(jì)算方法的

7、適用性和可靠性。
　　 針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)的特點(diǎn),建立了空調(diào)配管系統(tǒng)的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面、高次多項(xiàng)式響應(yīng)面、Kriging最優(yōu)內(nèi)插法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等四種近似模型,編制了相應(yīng)的通用程序,并首次采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的試驗(yàn)設(shè)計(jì)模式訓(xùn)練近似模型。訓(xùn)練結(jié)果表明后三種近似模型都有較高的近似精度,泛化能力也很強(qiáng),其中,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和Kriging模型的近似結(jié)果稍好于高次多項(xiàng)式響應(yīng)面模型的近似結(jié)果,可以在優(yōu)化計(jì)算

8、中代替復(fù)雜耗時(shí)的有限元計(jì)算。
　　 在配管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)阻尼比是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)減振性能的一個(gè)重要指標(biāo),在其它性能參數(shù)都相同的情況下,阻尼比越大則說(shuō)明結(jié)構(gòu)的減振性能越好。同時(shí)配管周向環(huán)繞阻尼層后大大增加了結(jié)構(gòu)的重量,也提高了設(shè)計(jì)成本。以環(huán)繞粘彈性阻尼層的空調(diào)配管系統(tǒng)質(zhì)量最小,結(jié)構(gòu)阻尼比最大為優(yōu)化目標(biāo),采用改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ?qū)Ω叽味囗?xiàng)式響應(yīng)面、Kriging最優(yōu)內(nèi)插法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型進(jìn)行優(yōu)化分析。從結(jié)構(gòu)阻尼

9、比和結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的Pareto曲線中可以看出,隨著阻尼層用量增加,結(jié)構(gòu)的阻尼比不斷增大,當(dāng)寬度和大于58mm時(shí),阻尼比增加速度非常小,綜合考慮阻尼比和阻尼層用量,阻尼層質(zhì)量應(yīng)選取在140 g-160 g之間,此時(shí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加為13.4％～29.5％,結(jié)構(gòu)一階阻尼比在7.5％～10.8％。依據(jù)最優(yōu)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證,環(huán)繞阻尼層后,配管系統(tǒng)的振動(dòng)位移衰減可達(dá)19.8dB,加速度衰減達(dá)26dB。
　　 本文的研究工作,是空調(diào)配管仿真設(shè)計(jì)的