基于有限元分析的空調(diào)器出風(fēng)面板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

【摘要】針對(duì)目前空調(diào)器出風(fēng)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)或者強(qiáng)度不足引起的在生產(chǎn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)過(guò)程或物流運(yùn)輸過(guò)程等環(huán)節(jié)出現(xiàn)外觀破損的問(wèn)題，依據(jù)空調(diào)器的注塑結(jié)構(gòu)件使用的材料，本文提出了一種基于有限元分析的空調(diào)器出風(fēng)面板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。該方法采用SolidWorks Simulation分析仿真軟件，通過(guò)建立柜式空調(diào)器內(nèi)機(jī)幾何模型和簡(jiǎn)化得到有限元分析模型對(duì)其側(cè)面傾翻跌落進(jìn)行仿真和分析。結(jié)果表明優(yōu)化后的出風(fēng)面板具有良好的強(qiáng)度，能夠改善外觀破損的問(wèn)題，同時(shí)為空調(diào)器其它方面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)器；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；SolidWorks Simulation；可靠性

空調(diào)器的出風(fēng)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)或者強(qiáng)度不足，可能會(huì)導(dǎo)致在生產(chǎn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)過(guò)程或物流運(yùn)輸過(guò)程等環(huán)節(jié)中出現(xiàn)外觀破損的問(wèn)題。破損位置主要集中在出風(fēng)面板頂部拐角處。

目前空調(diào)器的注塑結(jié)構(gòu)件使用的材料主要有ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PS（聚苯乙烯）、HIPS（高抗沖聚苯乙烯）、PP（聚丙烯）、POM（聚甲醛）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱(chēng)：有機(jī)玻璃）等[1]。在已知空調(diào)器零部件材料特性參數(shù)的前提下，借助于計(jì)算機(jī)采用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)（包括各種已知和未知的零部件結(jié)構(gòu)）進(jìn)行分析，可以避免大量的整機(jī)試驗(yàn)，既能保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，節(jié)約實(shí)驗(yàn)及資財(cái)?shù)荣Y源，又能有效提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率[2-3]。

針對(duì)上述空調(diào)器出風(fēng)面板在實(shí)際生產(chǎn)、售后等過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文采用SolidWorks Simulation軟件對(duì)該款空調(diào)器出風(fēng)面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析并給出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，從而達(dá)到對(duì)空調(diào)器出風(fēng)面板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

解決方案

SolidWorks Simulation是一種基于有限元分析（即FEA數(shù)值）技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，其具有不同的程序包和應(yīng)用程序以適應(yīng)不同用戶(hù)的需要。該款軟件作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無(wú)縫集成，方便了用戶(hù)從最初的物體三維建模到最終的有限元分析一體化操作[4]。

按照SolidWorks Simulation軟件的工作特性和本文想要達(dá)到的預(yù)期設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)分析流程如圖1所示。

建立有限元分析模型

建立空調(diào)器幾何實(shí)體模型時(shí)，在保證產(chǎn)品關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上遵循模型盡量簡(jiǎn)化的原則，從而達(dá)到降低有限元模型分析時(shí)間的目的。

文字在SolidWorks軟件環(huán)境下建立柜式空調(diào)器內(nèi)機(jī)幾何模型，并簡(jiǎn)化得到有限元分析模型，簡(jiǎn)化模型時(shí)，忽略過(guò)渡區(qū)小圓角，對(duì)特別大的圓角以折線(xiàn)代替，這樣可以避免因形狀不規(guī)則而造成單元?jiǎng)澐值膹?fù)雜化 [5-6]。

根據(jù)柜式空調(diào)器內(nèi)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，步驟如下：

（1）室內(nèi)機(jī)為薄壁殼體結(jié)構(gòu)，出風(fēng)面板外殼在運(yùn)輸過(guò)程中容易發(fā)生外觀破損，為產(chǎn)品的易損部件，本文將柜式內(nèi)機(jī)的幾何模型簡(jiǎn)化為內(nèi)部帶有相應(yīng)質(zhì)量塊的殼體件；

（2）在殼體的建模過(guò)程中，忽略了殼體上的圓角、弧線(xiàn)等形狀，將室內(nèi)機(jī)的實(shí)體模型假定為規(guī)則的立方殼體結(jié)構(gòu)。

柜式內(nèi)機(jī)有限元模型建立過(guò)程如下：

（1）模型導(dǎo)入

將在SolidWorks三維建模軟件中建立的優(yōu)化后的實(shí)體模型保存，然后點(diǎn)擊SolidWorks中的Simulation按鈕，進(jìn)入SolidWorks Simulation環(huán)境。

（2）輸入有限元分析所需的各項(xiàng)材料參數(shù)、定義接觸類(lèi)型。

通常對(duì)于線(xiàn)性范圍內(nèi)的彈性求解問(wèn)題，一般只用輸入楊氏模量和泊松比這兩個(gè)參數(shù)。

本文將柜內(nèi)機(jī)簡(jiǎn)化成空調(diào)柜內(nèi)機(jī)外殼，蒸發(fā)器以及風(fēng)扇電機(jī)。室內(nèi)機(jī)外殼質(zhì)量為6kg，材料為ABS塑料，等效密度為1020Kg/m3，等效彈性模量2000MPa，泊松比0.4，屈服強(qiáng)度69MPa。蒸發(fā)器和風(fēng)扇電機(jī)簡(jiǎn)化成質(zhì)量塊，質(zhì)量分別為17kg和19kg，密度由質(zhì)量除以體積間接得到，彈性模量均采用等效的方法得到，蒸發(fā)器的等效密度為1100Kg/m3，等效彈性模量210000MPa，泊松比0.3；風(fēng)扇電機(jī)的等效密度260Kg/m3，等效彈性模量210000MPa，泊松比0.3。

（3）網(wǎng)格劃分

三維模型建立和材料參數(shù)設(shè)定以后，以高品質(zhì)單元為默認(rèn)單元，使用基于曲率的網(wǎng)格大小來(lái)劃分空調(diào)器裝配體網(wǎng)格，得到柜式內(nèi)機(jī)模型如圖2所示。

柜式內(nèi)機(jī)空調(diào)器側(cè)面傾翻跌落仿真及分析

空調(diào)器跌落一般為面跌落的情況，本文主要考慮其側(cè)面傾翻跌落的情況。

為了模擬真實(shí)的跌落情況，定義空調(diào)器重心從一個(gè)1m高度的位置自由跌落，跌落地板（水泥地板）視為剛性堅(jiān)硬地板。

設(shè)定好參數(shù)以后，進(jìn)行求解仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示。

從應(yīng)力云圖3（a）和應(yīng)變?cè)茍D3（c）中可以觀察到最大應(yīng)力發(fā)生在柜式內(nèi)機(jī)外殼頂部的拐角處，數(shù)值為4.48MPA，而柜式內(nèi)機(jī)外殼所選材料的屈服強(qiáng)度為69MPA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跌落測(cè)試的最大應(yīng)力，故優(yōu)化后的出風(fēng)面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)滿(mǎn)足要求；從位移云圖3（b）中可以看到柜式內(nèi)機(jī)外殼的最大位移量為0.46mm，從應(yīng)變?cè)茍D3（c）中最大應(yīng)變量0.0001509，發(fā)生在柜式內(nèi)機(jī)外殼頂部的拐角處，這說(shuō)明在出風(fēng)面板拐角處優(yōu)化設(shè)計(jì)的加強(qiáng)筋增強(qiáng)了強(qiáng)度，滿(mǎn)足實(shí)際使用需要。

結(jié)論

本文運(yùn)用有限元分析的方法對(duì)一款柜式空調(diào)器出風(fēng)面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的出風(fēng)面板具有良好的強(qiáng)度，能夠抵抗跌落測(cè)試的最大應(yīng)力。將優(yōu)化后的出風(fēng)面板代替原始的出風(fēng)面板投入生產(chǎn)，大大降低空調(diào)器在實(shí)驗(yàn)以及物流運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中出現(xiàn)外觀破損的概率，節(jié)約了生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。