空调管路模态分析综合指南：干模态、湿模态及流固耦合

1、引言

空调管路中，特别是吸、排气管及回油管，由于其与压缩机（振动源）直连，在运行过程中振动响应较大，为避免振动过大导致管路开裂、寿命缩短等一系列问题，有必要对管路进行模态分析，避免管路共振频率与压缩机运行频率接近产生共振效应。

常见的管路模态分析未考虑流体效应（冷媒）对管路结构振动特性的影响，因此，本文利用干模态、湿模态及单向流固耦合三种分析方式，三种情况下的模态结果进行对比研究。

2、空调管路模型仿真前处理

采用Creo软件建立管路三维模型，如下图所示，模型中已预先建立流体区域，共两个主体。

将三维模型导入Hypermesh中进行网格划分，当然在这里也可直接导入workbench，利用默认的mesh工具进行网格划分，但是该工具的网格质量无法控制。网格划分是仿真的基础，也是较为重要的一步骤，如何划分高质量网格并非本文重点，不在过多阐述。网格划分效果如下图。

结构的约束条件采用两端固定支撑，管路材料属性采用紫铜，冷媒材料属性采用R410冷媒，各材料属性参数如下表所示：

网格划分、约束条件、材料属性定义之后，便可开始进行以下各类模态分析计算。workbench具有很好的模块间数据传递功能，本文所涉及的三种模态分析，其数据传递如下。

3、空调管路干模态分析

干模态分析，即一般的结构模态分析，不涉及流体效应对模态的影响，由于压缩机频率在20Hz~120Hz左右，因此，可对前10阶模态进行分析，保证模态频率在压缩机频率运行范围之内。干模态在结构振动仿真中较为简单，只需要设置约束条件、材料属性等少部分参数，便可进行计算。干模态计算设置如下：

4、空调管路湿模态分析

湿模态分析考虑流体介质对结构模态的影响，即将冷媒对管路模态的影响影视考虑进去，在这里我们需要注意的是冷媒并没有流速，是静止状态的，没有重力影响的，对壁面的压力也为0。

在用Wockbench中Model Acoustics模块进行湿模态分析时，需要将流体与所接触的固体放入一个part中，使其共节点，否则计算会报错。湿模态分析具体设置步骤如下：

5、空调管路单向流固耦合分析

利用Fluent对流体在管路中的流动进行分析，计算出流体对管路的作用力，如压力，在将作用力传递到结构分析中的管路内壁上，最后进行模态分析，该过程的后半段相当于预应力模态分析，即将静力分析结果传递到模态分析中去。

对流体的计算中，采用压力基进行稳态流求解，勾选考虑重力的影响，模型采用k-e模型，材料选用R410a，边界条件设置为压力入口和压力出口，入口压力设置为2.656MPa，出口压力设置为2.502MPa，模型较为简单，收敛较容易，其他设置均默认即可，初始化后便可开始进行计算。Fluent基本设置如下：

计算完成后便可得到流体在流动时对管壁的作用力，这里只分析压力作用，其云图如下，可以观察到在入口、管路弯外受流体压力影响较大。

流体计算收敛图如下：

流体分析完后，我们已经得到了流体在流动时对管路的作用力，随后便是将该壁面的作用力传递到结构静力分析中去，将静力分析的结果再传递到模态分析中去进行预应力模态分析，静力分析和预应力模态分析设置如下：

Imported Load分析设置：

6、结果对比分析

将三种情况的结果进行对比分析，分析结果如下，我们可以发现，预应力模态频率最高，这是由于流体在流动时对管路的压力提高了管路的刚度，而湿模态对管路没有左右用，只是在发生振动时起到阻尼作用，导致管路模态频率下降，干模态则介于这两者之间，同时还发现，除了第8阶预应力模态外，其他预应力模态比干模态高出5~10Hz左右，而第8阶次模态则高出许多，说明在通常情况下，干模态分析并不能完全预测在流体作用下实际结构的模态频率，为准确预测，则需要考虑流体流动甚至重力作用下对结构的影响。

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