技术干货｜如何轻松完成空调管路的随机振动分析以及疲劳寿命预测

基于NVHD 的虚拟路面谱激励车内结构路噪优化

作者：戴相花  颜磊  吕霞  杨凯

单位：苏州三星电子有限公司

论文摘要

随机振动试验是评估空调管路流通振动耐久性的重要试验之一。本文以某型号空调管路系统为研究对象，评估空调管路随机振动疲劳寿命。首先基于Altair OptiStruct™平台，计算空调管路系统在随机振动试验的PSD谱下的频响应力。其次基于Altair HyperLife™，结合材料S-N曲线和Miner疲劳累积损伤法则，进行疲劳寿命分析。

初始方案管路的仿真疲劳断裂位置与试验一致，验证了仿真分析的有效性。进一步对该空调管路进行结构优化，在仿真分析中，优化方案的管路寿命得到了明显提升。最后，通过流通试验验证了优化方案可行性。因此，仿真分析为空调管路结构的疲劳寿命预测和优化设计提供指导，缩短了项目开发周期。

1. 引言

管路是空调的重要部件，管路的耐振动性能直接决定了空调的安全性和使用寿命。由于空调实际流通运输路况的随机性，因此空调及管路系统所受到的振动情况也是随机的。随机振动试验评估空调管路流通振动耐久性的重要试验之一，目前对空调管路的随机振动疲劳评估大多是设计完成之后使用随机振动台进行试验，成本高且效率低。

本文以某型号空调管路系统为研究对象，基于Altair OptiStruct™和HyperLife™平台，对空调管路系统进行随机振动疲劳分析，结合试验对仿真分析进行验证，并对管路进行优化设计，为空调管路的寿命预测和优化设计提供指导。

2.  随机振动疲劳基本理论

2.1随机振动

随机振动是指未来任一给定时刻的瞬时值不能预先确定的机械振动，无法用确定性函数而须用概率统计方法定量描述其运动规律的振动[1]。随机振动一般采用频域分析方法，在频域中，功率谱密度函数PSD是一个最基本的量，通过谱分析可以了解随机振动的频率成分。PSD的表达式为[2]：

式中

为平稳随机振动的自相关函数，

为时延积分常数。

2.2 Miner 疲劳线性累积损伤法则

由不同载荷块组成的变幅加载所产生的疲劳累积损伤是有限元寿命设计的核心问题。疲劳累积损伤理论发展至今不下几十种。其中著名的Palmgren-Miner线性累积损伤法则，简称为Miner法则，由于形式简单，使用方便，因此在工程中得到了广泛应用。

Miner根据材料吸收净功的原理，提出了随机载荷下的疲劳线性累积损伤计算公式[3]：

其中，

 对应不同的应力幅值

，

 为变幅载荷的应力总级数。

为第级载荷

的循环次数，

为第 

 级载荷 

下的疲劳寿命，D为疲劳总损伤度。当D小于1时，结构在要求的时间内不会发生破坏，满足疲劳破坏要求；当损伤D累积到1，结构在要求时间内会发生疲劳破坏。

3. 压缩机管路随机振动疲劳分析

3.1 随机振动疲劳分析流程

以某型号的空调管路为例。首先对开发初期设计的初始管路进行随机振动疲劳分析，以Altair OptiStruct™和HyperLife™为平台进行分析，随机振动疲劳分析的一般过程主要包括以下步骤，如图3.1所示。

图3.1 随机振动疲劳分析流程图

3.2 空调随机振动PSD谱

为确保空调整机在长时间、道路载荷引起的振动条件下的性能和寿命，对空调整机进行随机振动试验考核，将空调整机固定于振动试验台上，在竖直Z向、水平左右X向和水平前后Y向这3个方向上分别施加随机振动激励，如图3.2所示，由于在运输过程中空调受到的竖直和水平方向上的振动强度有所差异，因此竖直谱和水平谱的振动图谱有所差异，先沿竖直方向Z向运行60mins后，再分别沿水平方向X向和Y向各振动10mins，以等效模拟实际运输疲劳情况。

图3.2 空调随机振动试验施振方向及3个方向随机振动加速度功率谱密度曲线

3.3 随机振动疲劳分析

对初始设计的管路进行随机振动疲劳分析，在HyperMesh™中创建空调管路系统的有限元模型（见图3.3），用rbe2单元连接各管路固定端与压缩机底脚，并在底脚处按照随机振动试验要求分别施加竖直方向及水平方向PSD激励谱，并在OptiStruct™中进行随机振动分析。

图3.3  空调系统随机振动有限元模型

其中压缩机采用简化等效模型，且其前7阶模态与压缩机模态试验对标的误差在5%以内（见表1），表明压缩机简化模型建模准确。

表1压缩机模态频率仿真与实验对标

将水平方向和竖直方向随机振动的结果导入HyperLife™中，结合铜管的S-N曲线，见图3.4和图3.5，按照随机振动试验顺序和持续时间进行设置，抽取von Mises应力作为应力的循环，采用Dirlik疲劳方法，设置置信区间为50%，平均应力修正采用Goodman方法，最终软件自动进行结果叠加得到初始方案的管路寿命为0.729（如图3.6所示），且压缩机出口处Tube Discharge发生断裂，与初始方案管路的随机振动试验结果吻合（见图3.7所示），验证了有限元模型的有效性。

图3.4  铜管的S-N曲线

图3.5  疲劳参数设置

图3.6

初始方案管路随机振动疲劳分析结果

图3.7 

初始方案管路随机振动试验断裂

4. 管路优化分析及试验验证

4.1优化方案随机振动疲劳分析

为提高管路的随机振动疲劳寿命，需对管路进行优化设计，增加管路柔性，并将Rubber固定的位置进行变更，导出优化方案（见表2）。

表2  管路优化方案

对优化方案进行随机振动疲劳分析，得到优化方案的寿命为3.159，预测随机振动疲劳寿命合格，如图4.1所示。

图4.1  优化方案管路的随机振动疲劳分析结果

4.2  优化方案随机振动试验验证

对优化方案的管路进行随机振动疲劳试验，由图4.2可知优化方案的流通试验结果合格，验证了优化方案的可行性。

图4.2  优化方案的管路随机振动疲劳试验结果

5.  结论

本文以某型号空调管路为例，基于Altair OptiStruct™和HyperLife™软件平台，通过随机振动疲劳分析计算初始设计管路结构的疲劳寿命，且初始设计管路疲劳分析的断裂位置与试验结果一致，验证了仿真模型的准确性。在此基础上，对管路进行结构优化及疲劳寿命预测，优化后的管路寿命得到了明显提升。

本文为空调管路的随机振动分析和疲劳寿命预测提供了有效的计算方法，对管路的优化设计具有一定的工程指导意义。

参考文献

[1] 王文伟，程雨婷，姜卫远等.电动汽车电池箱结构随机振动疲劳分析[J].2016，6(1)：10-14.

[2] 龚苏生，王艳军，陈明，徐政等.汽车空调管路系统随机振动疲劳分析优化研究[J].汽车技术，2020(10)：14-18.

[3] 赵少汴.抗疲劳设计手册[M].北京：机械工业出版社，2015:179-180.

*本论文来自 2021 Altair 技术大会论文投稿

获选 2021 Altair技术大会优秀论文

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