空調(diào)室外機(jī)易損性表征及包裝件跌落仿真分析

劉冰 陳志周 劉瑋佳 于志彬 孫蘭芳 臧蕊

摘要：在當(dāng)今嚴(yán)酷的物流環(huán)境中，空調(diào)室外機(jī)的易損件極易在運(yùn)輸搬運(yùn)過程中受到跌落沖擊而發(fā)生破損。本文總結(jié)了空調(diào)室外機(jī)易損件的破損模式，并利用有限元分析軟件對(duì)空調(diào)室外機(jī)包裝件跌落過程進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而驗(yàn)證緩沖包裝襯墊是否滿足緩沖要求。

關(guān)鍵詞：空調(diào)室外機(jī)；易損性表征；跌落仿真

中圖分類號(hào)：TB48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2020） 05-0045-03

基金項(xiàng)目：河北省教育廳資助科研項(xiàng)目（QN2017337綠色全紙化家電產(chǎn)品緩沖包裝設(shè)計(jì)研究）。

Vulnerability Characterization of Air Conditioner Outdoor Unit and Simulation Analysis of Package Dropping

LIU Bing， CHEN Zhi-zhou， LIU Wei-jia， YU Zhi-bin， SUN Lan-fang， ZANG Rui

（Hebei agricultural university， institute of food scienceand technology， Baoding 071000， China）

Abstract： In todays harsh logistics environment， vulnerable parts of outdoor air-conditioner are easy to be damaged by falling impact in the process of transportation. This paper summarizes the damage modes of vulnerable parts of outdoor air-conditioner， and uses the finite element analysis software to simulate the falling process of the air conditioning package， and then verifies whether the cushion packaging liner meets the cushioning requirements.

Keywords： air conditioning outdoor unit； vulnerability characterization； drop simulation

空調(diào)等家用電器在運(yùn)輸和搬運(yùn)過程中常發(fā)生跌落現(xiàn)象，空調(diào)室外機(jī)的易損件在物流運(yùn)輸過程中容易受到跌落沖擊而發(fā)生損壞。傳統(tǒng)的跌落試驗(yàn)是驗(yàn)證產(chǎn)品包裝可靠性和產(chǎn)品抗沖擊強(qiáng)度的直觀手段，但試驗(yàn)成本高，試驗(yàn)周期長，屬于破壞性試驗(yàn)。空調(diào)室外機(jī)屬于價(jià)值比較昂貴的產(chǎn)品，不適合采用傳統(tǒng)的包裝件跌落試驗(yàn)，而更適合采用仿真分析軟件對(duì)其進(jìn)行對(duì)跌落過程進(jìn)行模擬。因此，本文利用ANSYS研發(fā)的ANSYS Workbench軟件對(duì)空調(diào)室外機(jī)包裝件進(jìn)行有限元建模，并對(duì)其跌落過程進(jìn)行仿真分析，從而考查空調(diào)室外機(jī)包裝件抗跌落沖擊的性能和包裝件在跌落過程中對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)性。

1 空調(diào)室外機(jī)易損性及其表征

本文中的包裝對(duì)象為空調(diào)室外機(jī)，室外機(jī)主要由機(jī)殼和內(nèi)部構(gòu)件（冷凝器、壓縮機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)、室外風(fēng)扇、控制電路）等組成。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研分析得知，室外機(jī)的殼體在運(yùn)輸過程中容易受到外界的沖擊或碰撞，從而發(fā)生變形、凹陷等現(xiàn)象，空調(diào)室外機(jī)的易損件是其外殼。空調(diào)室外機(jī)的易損件——機(jī)殼的損壞模式主要為以下幾種：

（1）塑性變形。塑性變形一般是由沖擊過載造成的。在物流運(yùn)輸過程中，空調(diào)室外機(jī)很容易發(fā)生跌落現(xiàn)象，從而使空調(diào)室外機(jī)受到較大的沖擊時(shí)，當(dāng)室外機(jī)殼體受到的應(yīng)力超過其極限應(yīng)力（屈服極限σs）時(shí)，室外機(jī)的外殼就會(huì)發(fā)生塑性變形，如凹陷、變形等。

（2）疲勞失效。當(dāng)空調(diào)室外機(jī)的殼體在流通過程中在受到長期的交變應(yīng)力后，其殼體或部分元器件會(huì)發(fā)生疲勞破壞現(xiàn)象。

（3）表面磨損。表面磨損現(xiàn)象是由于在物流運(yùn)輸過程中包裝保護(hù)性能欠缺，例如內(nèi)包裝與空調(diào)殼體直接接觸，空調(diào)外殼表面與內(nèi)包裝長時(shí)間摩擦，從而使空調(diào)外殼表面造成磨損。

本文主要以室外機(jī)外殼材料的屈服極限σs和沖擊脆值Gc來表征產(chǎn)品的易損性。由于本文中的研究對(duì)象——空調(diào)室外機(jī)屬于價(jià)值比較昂貴的產(chǎn)品，不適合對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算法并參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定其脆值為55。

2 包裝件有限元模型的簡化與構(gòu)建

2.1空調(diào)室外機(jī)包裝件建模

空調(diào)室外機(jī)包裝是以蜂窩-瓦楞復(fù)合紙板為主要包裝材料設(shè)計(jì)的全紙化的綠色環(huán)保包裝。室外機(jī)的緩沖包裝形式為上蓋+護(hù)棱+下襯墊。上、下襯墊及四個(gè)護(hù)棱使室外機(jī)的各個(gè)部位都處于良好的緩沖保護(hù)和固定狀態(tài)，使空調(diào)室外機(jī)精準(zhǔn)定位在包裝箱內(nèi)，從而空調(diào)室外機(jī)在物流運(yùn)輸過程中發(fā)生損壞的可能性大大降低。在三維軟件中構(gòu)建的室外機(jī)包裝件三維實(shí)體模型如圖1所示。

2.2 空調(diào)室外機(jī)包裝件模型的簡化

為了盡可能降低有限元模型分析的時(shí)間，在建立空調(diào)室外機(jī)包裝件三維實(shí)體模型時(shí)，在保留產(chǎn)品關(guān)鍵特征的同時(shí)，應(yīng)盡量簡化模型不必要的特征。室外機(jī)包裝件的三維實(shí)體模型的簡化過程如下：

（1）鑒于空調(diào)室外機(jī)的外殼在運(yùn)輸過程中極易損壞，屬于產(chǎn)品的易損件。壓縮機(jī)和冷凝器質(zhì)量較大，且質(zhì)量分布不均勻，是室外機(jī)的主要內(nèi)部構(gòu)件，為了縮短有限元計(jì)算時(shí)間，室外機(jī)的三維實(shí)體模型被簡化為帶有內(nèi)部相應(yīng)質(zhì)量壓縮機(jī)和冷凝器的規(guī)則立方體殼體，在殼體的建模過程中，忽略殼體上的圓角、弧線、凹槽等特征。

（2）鑒于蜂窩紙板和瓦楞紙板的芯層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建模時(shí)，將其內(nèi)部芯層結(jié)構(gòu)簡化為各向同性的均質(zhì)實(shí)體，對(duì)材料的參數(shù)進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化，從而大大降低建模和求解的時(shí)間，提高仿真的效率。

（3）為了盡可能減少計(jì)算機(jī)有限元分析的時(shí)間，且底面跌落在跌落情況中發(fā)生概率較大，因此本次跌落仿真時(shí)僅考慮底面跌落情況。對(duì)于底面跌落情況，室外機(jī)包裝襯墊中的底部襯墊是需要重點(diǎn)考察的對(duì)象，最終簡化后構(gòu)建的室外機(jī)包裝件的三維實(shí)體模型如圖2所示。

2.3空調(diào)室外機(jī)有限元模型構(gòu)建

2.3.1模型的導(dǎo)入

在ANSYS Workbench軟件中導(dǎo)入三維建模軟件中繪制好的幾何實(shí)體模型，建立空調(diào)室外機(jī)包裝件初步有限元模型。

2.3.2材料參數(shù)設(shè)定

緩沖襯墊由瓦楞紙板和蜂窩紙板復(fù)合構(gòu)成，室外機(jī)外殼的材料屬于鍍鋅鋼板，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)定相應(yīng)瓦楞紙板、蜂窩紙板和室外機(jī)外殼的等效密度和彈性模量。

2.3.3網(wǎng)格劃分

通過軟件默認(rèn)的自動(dòng)劃分法對(duì)室外機(jī)包裝機(jī)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3 包裝件跌落仿真及分析

室外機(jī)的跌落高度設(shè)定為40cm，做自由落體運(yùn)動(dòng)。地面設(shè)置為剛性?？紤]到減少計(jì)算機(jī)有限元分析的時(shí)間，一般會(huì)為包裝件設(shè)定一個(gè)初速度，減小包裝件自由下落高度，從而提高計(jì)算機(jī)計(jì)算運(yùn)行效率。

相關(guān)參數(shù)確定后，由有限元軟件中的求解模塊進(jìn)行計(jì)算，并通過后處理程序展示計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同時(shí)刻包裝件的最大加速度和等效應(yīng)力分布進(jìn)行可視化處理，并通過比對(duì)空調(diào)室外機(jī)的脆值和極限應(yīng)力（屈服應(yīng)力）進(jìn)而判斷包裝件的抗跌落沖擊的性能。

圖3是室外機(jī)在跌落過程中產(chǎn)生的加速度云圖。

通過圖3可知，外殼等薄弱部件在跌落瞬間受到的加速度保持在463.54m/s2以下，即47.3g，小于其脆值50g。

跌落過程中室外機(jī)外殼受到的等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

分析圖4可知，空調(diào)室外機(jī)機(jī)殼后板壓縮機(jī)側(cè)的尖角部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，受到的等效應(yīng)力210.45MPa小于機(jī)殼材料——鍍鋅鋼板的極限應(yīng)力282Mpa，機(jī)殼其他部位的應(yīng)力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)殼的極限應(yīng)力。由此可知，室外機(jī)的外殼材料未發(fā)生塑性變形，處于安全狀態(tài)。

綜上所述，通過對(duì)室外機(jī)包裝件跌落仿真結(jié)果的分析，可得出結(jié)論：在跌落過程中，室外機(jī)的緩沖包裝方案具有較好的抗跌落沖擊性能，對(duì)空調(diào)室外機(jī)具有較好的緩沖保護(hù)性。

4 結(jié)論

對(duì)空調(diào)室外機(jī)包裝件的幾何模型進(jìn)行了合理的簡化，進(jìn)而建立了空調(diào)室外機(jī)的包裝件有限元模型。通過ANSYS Workbench的瞬態(tài)沖擊模塊對(duì)空調(diào)室外機(jī)進(jìn)行了跌落仿真模擬，并得到了包裝件在跌落過程中的最大加速度和等效應(yīng)力云圖，經(jīng)過分析得出結(jié)論：在跌落過程中，室外機(jī)的緩沖包裝方案具有較好的抗跌落沖擊性能，對(duì)空調(diào)室外機(jī)具有較好的緩沖保護(hù)性。

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