基于ANSYS Workbench空调室外机支架的静力学分析

（内江师范学院，四川 内江 641100）

0 引言

随着生活水平的提高，空调使用越来越广泛，空调室外机的安全问题不容小觑，支架风吹日晒、易氧化生锈，而强度是构件结构设计中最基本的要求，可用于判别构件抵抗破坏能力，因此，支架的强度需要满足要求[1]。我国空调室外机支架领域的首个行业规范——《空调器室外机安装用支架规范》对空调室外机支架的强度作出了相关规定，即承载能力不得低于空调器机组自重的4 倍；支架必须使用3 毫米以上厚度的角钢或镀铝锌钢板等，但构件具体尺寸没有严格标准。支架结构相对简单，故常采用工程算法来计算强度，虽然方便快捷，但也存在忽视安装孔等技术细节对应力的影响、应力集中计算不足以及不能了解支架整体结构的应力分布情况等缺点[2]。近年来，借助有限元软件进行设计分析，对相关零部件进行强度校核是目前应用比较广泛的方法。陶卓然[3]利用ANSYS Workbench 软件对支架进行了静力学分析，判断截面形状和厚度对支架力学性能的影响；鲁文喜[4]研究设计了一种家用空调室外机抗飓风支架，并运用ANSYS Workbench 软件进行支架的强度校核设计；周明杰[5]等人也运用ANSYS Workbench 软件对空调压缩机皮带轮进行了疲劳寿命研究。ANSYS Workbench 软件具有界面友好、设置简便、易于上手等优点，能够分析模拟支架在载荷作用下的应力和应变等。因此本文采用ANSYS Workbench 软件对某空调室外机支架进行碳素结构钢Q235 和不锈钢304 两种材料属性下的静力学分析。

1 材料属性分析

碳素结构钢Q235 和不锈钢304 都属于塑性材料，该类材料构件在发生屈服前，其抗拉和抗压性能基本相同。通常情况下，这两类塑性材料在受到拉伸或压缩时，很容易产生塑性变形，即屈服现象，而当构件变形过大的时，就会失去正常的工作和承载能力。为了确保构件的正常工作与安全性能，构件应具备足够的强度以及必要的强度储备，即不仅工作应力要小于材料被破坏时的极限应力，还要小于许用应力，该许用应力与安全系数和极限应力有关。Q235 有明显的屈服阶段，一般用σs表示其屈服极限，而对于不锈钢304这种没有明显的屈服阶段的塑性材料，国际上规定将产生0.2%塑性应变时的应力作为屈服指标，用σp0.2来表示。

存在公式：

式中：σ－许用应力；

FN－垂直于截面的拉（压）力；

A－横截面积。

式中：σ－许用应力；

σu－极限应力，塑性材料σu=σs（σp0.2）；

n－安全系数，一般大于1，其值由设计规范规定，塑性材料安全系数用ns表示。

2 静力学分析

ANSYS Workbench 的静力学仿真分析流程大概可以分为建立或者导入几何体模型、进行材料设置、网格划分、边界条件设置、求解、结果后处理6 个步骤。值得注意的是，若ANSYS Workbench 材料库中没有需要的材料时，可通过设置密度、杨氏模量，泊松比等常见参数进行新材料的添加。在网格划分环节中，需要注意所划网格的质量问题，其质量对于仿真分析的结果有着非常关键的影响，对于比较简单的结构形式，可利用ANSYS Workbench 中的Automatic（自动划分法），仅需调整网格的密度即可达到要求[3]。边界条件设置中，设置相应的约束并添加载荷，求解计算后得到相应的应力、应变和位移云图等，根据这些云图可对分析对象进行强度校核，判断强度是否符合标准。

2.1 支架3D 模型建立

空调室外机支架没有严格的尺寸标准，下承式角钢支架是最常见的形式，以某支架为例，采用三维软件SolidWorks 建立支架的3D 模型，其结构由3 块不同尺寸的等边角钢焊接而成，构件1 上有3 个 Φ15mm的固定孔，尺寸为500mm×40mm×3mm，构件2 上有2 个用于固定安装空调室外机长为 50mm、宽为 15mm的圆弧槽口，尺寸为 6 00mm×45mm×4mm，构件3 的尺寸为400mm×30mm×3mm。

2.2 支架载荷分析

空调室外机采用的是两副相同结构的支架共同支撑，两支架完全对称，故只需要对一侧的支架进行分析即可，本文选用某种格力空调室外机为研究对象，总质量为 54kg，重力加速度取忽略支架自重，根据《空调器室外机安装用支架规范》规定，一侧支架受力载荷不小于 1058.4N。

2.3 Q235 材料的支架静力学分析

将支架的3D 模型导入ANSYS Workbench 中，简化模型，设置材料为碳素结构钢Q235，其密度ρ=7.85×103kg/m3，杨氏模量 E=210Gpa，泊松比ν=0.3，Q235 的屈服强度σs=235Mpa，安全系数选取1.5，经计算得其许用应力［σ］=156.7Mpa，选用自动划分法划分网格，经检测网格质量较好，构件1 背面因借助固定孔而固定在墙面上，将其和三个固定孔的自由度全部约束，并将固定孔的螺栓力抽象为无摩擦支撑力，添加 1058.4N的载荷并求解，获得应力云图（见图1）、总位移云图（见图2），由图1可知，最大应力为 87.161Mpa，由图2可知总位移位于构件2 最外侧，为 0.32416mm，变形量较小，因此，对于 54kg的空调室外机，该支架强度满足要求。

图1 Q235 支架应力云图

图2 Q235 支架总位移云图

2.4 不锈钢304 材料的支架静力学分析

目前，市面上不锈钢材质的空调室外机支架也较为流行，应用ANSYS Workbench 软件对该类材质支架进行静力学分析，并将之与Q235 材质的支架进行强度比对。借助原有模型，重复上述操作，将材料属性进行更改，设置材料为不锈钢304，其密度ρ=7.93×103kg/m3，杨氏模量 E=194Gpa，泊松比ν=0.3，不锈钢304 的屈服强度σp0.2=205Mpa，安全系数选取1.5，经计算得其许用应力 ［σ］=136.6Mpa，添加 1058.4N的载荷并求解，获得应力云图（见图3），总位移云图（见图4），由图3可知，最大应力为 87.161Mpa，由图4可知总位移为 0.3509mm，变形量较小，因此，对于 54kg的空调室外机，该支架强度也满足要求。

图3 不锈钢304 支架应力云图

图4 不锈钢304 支架总位移云图

分别对比图1和图3、图2和图4，可知：同种尺寸、同种受力载荷下，Q235 和不锈钢304 材料类型的支架应力相同，总变形相差略有差距，Q235材质的支架变形量小于不锈钢304 的支架变形量。根据公式（1）可知，应力σ与FN和A有关，在不考虑材料自重的情况下，两者的受力状态相同，由于几何尺寸相同，那么同一点的应力自然相同，因此上述两类材料支架的应力相同。但因为材料不同，杨氏模量、泊松比等不同，所以变形是不同的。值得注意的是，空调室外机一般安装在室外，常年风吹日晒，尤其是南方地区，潮湿多雨，普通角钢虽然刚度比不锈钢304 大，价格便宜，但容易生锈，使用寿命5～7年，长时间使用容易出现安全事故，不锈钢支架造价高，但具有耐腐蚀、抗氧化、不锈性等特性，比较耐用、安全，使用寿命10～15年。支架在不同环境和使用年限下，腐蚀情况不同，其承载能力亦不相同，若支架或工作环境较好，如少经风吹雨打、日晒雨淋，或采用其他防锈材质或表面经过一定的防锈处理，锈蚀率会大大降低，则有利于延长其使用寿命，安全性能更有保证。

3 结语

本文利用 ANSYS Workbench 对不同材料的空调室外机支架进行静力学分析，可知，对于 54kg的空调室外机，Q235 和不锈钢304 两种材质的支架强度均满足要求，且两类材质的支架在尺寸和受力载荷相同的情况下，应力相同，总变形略有差距，但相差不大。结合支架构件材质的相关性能及工作环境的相关分析，可对空调室外机支架的选择提供一定的参考价值。