基于落球?qū)嶒灥谋滗摪彘T護板優(yōu)化設(shè)計與分析

程旺，張谷峰，王海波，常見虎

(合肥美的電冰箱股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

冰箱運輸中由于包裝防護不足、夾持機未定期校核、倉儲運輸不規(guī)范、人工作業(yè)變數(shù)大等問題的存在，導致冰箱受跌落或異物沖擊時外觀損傷，直接影響到產(chǎn)品的開箱合格率和損壞率。鋼板門的磕碰與劃傷是鋼板門冰箱外觀損傷的主要問題，以美的公司(以下簡稱“公司”)某款對開門冰箱的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例：正面不良占比66%，棱邊不良占比23%，角部占比11%。因此，須重點提高門護板的正面防護能力。而實際生產(chǎn)中，為降低制造成本，門體防護板需設(shè)置多種減料孔，其幾何形狀和分布情況也會對門護板的防護性能產(chǎn)生重要影響。傳統(tǒng)的“設(shè)計-實驗-再設(shè)計”循環(huán)方法，因?qū)嶒灁?shù)據(jù)量有限，很難在測試結(jié)果中分析失效原因[1]。有限元仿真可有效避免上述問題[2]，采用冰箱包裝仿真分析的方法，可有效模擬冰箱受異物沖擊時的變形及受力情況，快速判斷各參數(shù)對防護性能的影響，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化及護板標準化提供理論依據(jù)。公司前期委托華南理工大學對冰箱常用材料進行力學性能測試[3-5]，為提高冰箱有限元分析精度提供了基礎(chǔ)[6]?；诖耍疚闹攸c對測試冰箱正面防護能力的落球?qū)嶒炦M行仿真研究。

1 有限元模型建立

實驗室落球?qū)嶒炛饕捎? kg 的鋼球從1 m高度隨機跌落在箱體表面，來模擬冰箱受樓梯或異物正面集中沖擊時的防護性能，示意圖如圖1(a)所示。在正面落球?qū)嶒灂r，箱體等其他結(jié)構(gòu)通過門封對門體起支撐作用，采用如圖1(b)所示的單門進行落球測試，防護效果與整機測試所得相同。因此，仿真建模時可以只保留小球、門封、門體、護板、瓦楞紙等部分結(jié)構(gòu)，其他部件予以忽略。隱藏瓦楞紙網(wǎng)格的仿真模型如圖1(c)所示，其中：門上下端蓋、內(nèi)膽、門板等薄壁結(jié)構(gòu)使用殼單元離散，網(wǎng)格數(shù)約10 萬個；聚氨酯泡層采用實體單元，網(wǎng)格數(shù)約66萬個；因泡層與周邊部件有很好的粘接作用，一般很少出現(xiàn)脫粘的情況[7]，特使用點對點的梁單元連接泡層與周邊部件單元，用以模擬上述粘接作用，梁單元網(wǎng)格數(shù)量約6 萬個。單元的總體目標尺寸為8 mm，根據(jù)護板厚度和小球直徑大小將其目標尺寸調(diào)整成4 mm，并按照公司《冰箱包裝跌落仿真標準》校準網(wǎng)格質(zhì)量。

圖1 落球?qū)嶒炁c仿真模型

由于落球分析是個復雜的過程，涉及材料非線性、接觸非線性以及幾何非線性，一般采用顯示積分算法進行求解[6]。仿真模型中涉及的材料有DX51D 鍍鋅門板，HIPS 內(nèi)膽，ABS 端蓋，PU 聚氨酯泡層、EPS 護板(聚苯乙烯泡沫)，瓦楞紙等，相關(guān)材料由華南理工大學通過萬能材料試驗機，液壓高速拉伸機，落錘式?jīng)_擊試驗機等設(shè)備獲取，并建立材料數(shù)據(jù)庫，詳細可見相關(guān)論文[3-5]。材料參數(shù)包括DX51D，HIPS、ABS 等材料在中低應變率下的材料性能數(shù)據(jù)，PU 聚氨酯泡層及不同密度的EPS 護板在不同速度下的沖擊時程曲線，位移時程曲線和應力應變曲線等特性參數(shù)[3]。部分常用材料參數(shù)如表1 所示。其中EPS 護板的密度對其防護性能有重要影響，一般密度越大，防護性能越好，受二次沖擊時防護性能衰減也越小。綜合考慮護板的制造成本和防護性能，公司采用22 kg/m3的EPS 作為基材(簡稱EPS22)。

表1 材料參數(shù)

為提高計算效率，計算時可忽略小球自由下落過程[8]。根據(jù)速度v，重力加速度g 和自由落體高度h 之間的關(guān)系式v= 2gh，求出小球從1000 mm的高度自由落下，與包裝箱接觸瞬間的沖擊速度為4427 mm/s。

2 防護性能對比

為驗證瓦楞紙、EPS 護板對門體的保護性能，進行以下落球?qū)嶒灱胺抡娣治觯瑑?nèi)容包括：

(1)無防護：分析門體在無防護狀態(tài)下，落球?qū)﹂T體造成的沖擊；

(2)瓦楞紙：分析只有瓦楞紙保護下，落球?qū)﹂T體的造成的沖擊，得出瓦楞紙的保護性能。仿真模型未考慮瓦楞紙被小球擊穿破裂情況；

(3)EPS 護板：分析只有EPS 護板保護下，落球?qū)﹂T體的造成的沖擊，得出EPS 護板的保護能力；

(4) 瓦楞紙和EPS：分析落球沖擊時瓦楞紙和EPS 護板對門體的共同防護作用。

上述部分實驗結(jié)果如圖2 所示，圖中無防護門板受落球沖擊后變形明顯；單獨使用瓦楞紙防護，門板變形面積和凹癟深度均有所減小，但變形仍明顯可見；單獨使用20 mm 厚的EPS22 護板，以及護板與瓦楞紙復合使用，門板受小球沖擊后無人眼可見變形。

圖2 實驗門板變形圖

沖擊類分析一般采用應力、應變、位移等參數(shù)作為判定標準。因落球?qū)嶒炓允欠裼腥搜劭梢娮冃螢榕袛嘁罁?jù)，采用應變作為判定標準更能反映實際情況。公司《冰箱包裝跌落仿真標準》根據(jù)不同的實驗指定不同的判斷標準，其中規(guī)定落球?qū)嶒炛薪饘偌畲笏茏冃∮?.1%時，等同無人眼可見變形。上述分析所得門板塑變云圖如圖3 所示，圖中塑變值大于0.1%設(shè)置為紅色，相應狀態(tài)下門板最大塑變值如表2 所示。從中可知，門體無防護，門板發(fā)生塑性面積最大，變形明顯，人眼可見；單獨使用瓦楞紙防護，門板發(fā)生塑變面積和深度有所減小，但仍有人眼可見變形；單獨使用20 mm 厚的EPS 護板防護門體，門殼雖有一定變形，但變形不明顯，人眼不易察覺。瓦楞紙和護板復合使用，門板無塑變，可以對門板提供有效防護。分析結(jié)果與實驗結(jié)果一致，因此，可以得出仿真模型的可靠性較好。

圖3 門板塑變云圖

表2 不同防護狀態(tài)下門板最大塑變值

3 落球點對防護性能的影響

由于小球的隨機跌落無法控制落球點的位置，因此，需要考慮護板的各結(jié)構(gòu)對防護性能的影響。以圖4 所示的某護板為例，其正面設(shè)有減重槽和減重孔，為保證落球點在任意位置都能通過落球試驗，需對落球點在減重槽和減重孔內(nèi)部及周邊時進行重點分析。

圖4 護板結(jié)構(gòu)圖

3.1 減重槽的影響

圖4 所示的護板在厚20 mm 的基材上設(shè)有10 mm 深的減重槽。當小球落到減重槽區(qū)域時，其防護性能與平面區(qū)域有明顯差異。分析以小球落點在減重槽側(cè)壁為原點，向減重槽偏移為負，反向偏移為正。因減重槽寬度僅為40 mm，分析在偏距在正負20 mm 區(qū)間，每5 mm 計算一次。將仿真分析所得各偏距下門板最大塑變值進行整理，可得表3。落球點在減重槽內(nèi)部及周邊，各偏距下的門板最大塑變值均小于0.1%。在厚20 mm 的基材上設(shè)置寬40 mm，深10 mm 的減重槽，可通過落球測試。門板在進行相關(guān)實驗后，人眼所見落球點表面與未測試區(qū)域相同，不再贅述。采用增大減重槽的深度和寬度來降低生產(chǎn)成本，涉及撲倒測試和斜面沖擊測試，研究量巨大，另文闡述。

表3 減重槽區(qū)域各偏距下的門板最大塑變值

3.2 減重孔的影響

已有落球?qū)嶒灲Y(jié)果表明，當小球落在減重孔內(nèi)部，門板將有明顯凹癟。因此，需對落球點在減重孔周邊及減重孔內(nèi)部進行詳細分析。

3.2.1 減重孔側(cè)邊偏距的影響

現(xiàn)有護板設(shè)計方案減重孔寬80 mm，為分析落球點在減重孔周邊或內(nèi)部時減重孔對門板防護性能的影響，仿真分析以小球落點在減重孔側(cè)邊為原點，向減重孔偏移為負，反向偏移為正，仿真過程中每5 mm 計算一次，偏距定在正負40 mm 區(qū)間，從而得出門板塑變趨勢。圖5 給出了偏距標注方法及仿真所得部分偏距下門板的塑變云圖，其中設(shè)置塑變值大于0.1%顯示為紅色。從圖中可知：小球落在減重孔內(nèi)部，偏距越大，塑變區(qū)域越大。

圖5 減重孔側(cè)邊偏距標注方法及門板塑變云圖

表4 給出了各偏距下仿真所得門板最大塑變值，落球點在減重孔內(nèi)部時，當偏距小于5 mm 才能通過跌落測試；偏距在5 至40 mm 區(qū)間時，門板將有人眼可見塑性變形，且偏距越大，變形越明顯；落球點在減重孔周邊實體區(qū)域，護板可有效防護門板。

3.2.2 減重孔寬度的影響

減重孔的寬度，直接決定小球落在減重孔內(nèi)部時，護板是否能夠提供有效緩沖。分析以減重孔寬度為變量，在20 mm 至80 mm 區(qū)間每5 mm 計算一次，小球落在減重孔中間。部分寬度下門板的塑變云圖如圖6 所示，圖中塑變值大于0.1%顯示為紅色。

圖6 各減重孔寬度下的門板塑變云圖

根據(jù)圖6 和表5 可知，門板發(fā)生塑變區(qū)域和塑變值與減重孔寬度成正比，寬度越小，發(fā)生塑變面積越小，塑變值也越小，直至未發(fā)生塑變。

表4 減重孔頂端各偏距下的門板最大塑變值

表5 減重孔寬度對門板塑變值的影響

4 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化方案以降低減重孔寬度為出發(fā)點，使得落球點在減重孔內(nèi)部任意位置時，均有一部分護板起到緩沖作用。對表5 計算結(jié)果進行分析：

(1) 原方案減重孔寬為80 mm，當落球點在減重孔內(nèi)偏距10 mm 時，只有減重孔右側(cè)護板提供緩沖作用，如圖7(a)所示的；

(2) 圖7(b)所示的減重孔寬為35 mm，落球點在減重孔內(nèi)偏距同樣是10 mm，此時減重孔左右兩側(cè)護板均提供緩沖作用，優(yōu)于80 mm 寬減重孔的受力分布。同時，此工況下門板塑變0.01%，低于0.1%的許用塑變值。

(3)圖7(c)給出了減重孔寬35 mm 時，忽略右側(cè)護板受壓時對小球的水平推動。根據(jù)計算，當減重孔右側(cè)護板下壓9.5 mm 后，左側(cè)護板開始與小球接觸，此時小球最低點離門板還有10.5 mm 間距。隨著小球進一步的下壓，減重孔左右兩側(cè)護板同時承受落球的沖擊力。

圖7 偏距-10 mm護板受力區(qū)域圖

經(jīng)分析計算得知，護板減重孔寬為35 mm 時，在各偏距的落球沖擊下，門板最大塑變均低于0.1%，可對門體提供有效保護。因此，確定優(yōu)化方案減重孔寬35 mm。

護板原設(shè)計方案如圖4 所示，減重孔寬80 mm，5 排2 孔布置；將此護板減重孔寬度優(yōu)化成35 mm，同時采用5 排5 孔布置，得圖8(a)所示的優(yōu)化方案。護板原方案重279 g，優(yōu)化方案重272 g，減重7 g，達到優(yōu)化方案不得重于原方案的要求。為快速驗證方案可行性，將一定寬度的同密度切割件粘在減重孔一側(cè)，切割件和減重孔另一側(cè)相距35 mm，制作成圖8(b)所示的手板件。為保證落球點的準確，在摸底試驗中，引入圖8(c)所示長1000 mm 的塑料管起導向作用；實驗只選取部分瓦楞紙以便于觀察定位。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，手板件可以順利通過落球?qū)嶒?，由此證明，此護板的優(yōu)化方案有效。

圖8 優(yōu)化方案及摸底試驗

在不增加護板重量的基礎(chǔ)上，進一步降低減重孔寬度，須增加每排減重孔的數(shù)量，從而減少減重孔之間的物料，導致此處易發(fā)生斷裂。優(yōu)化前須咨詢相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計及生產(chǎn)人員，討論斷裂問題。上述減重孔寬35 mm ，采用5 排5 孔布置的優(yōu)化方案可滿足要求，已進入落地轉(zhuǎn)化階段。

5 結(jié)論

針對冰箱在運輸中門體受損的主要原因，本文結(jié)合試驗結(jié)果，首先建立了冰箱門體和部分外包裝的有限元模型，對比分析了門體在無防護、只有瓦楞紙防護、只有EPS 護板防護、瓦楞紙和護板共同防護等4 種情況下，鋼板門受落球沖擊時門板塑變情況，并與相關(guān)實驗進行對比，證明此仿真模型的準確可靠。其次，對影響護板緩沖性能的兩個結(jié)構(gòu)減重槽和減重孔進行仿真分析，結(jié)果表明減重槽結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，可對門板提供有效保護；當減重孔寬度大于35 mm 時，門板將受落球沖擊變形，確定減重孔寬度的最優(yōu)值為35 mm。最后根據(jù)分析結(jié)果對某護板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，給出設(shè)計方案，并通過手板驗證優(yōu)化方案的合理性，為后續(xù)護板標準化提供理論依據(jù)。