基于ANSYS Workbench的空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件跌落仿真分析

劉冰

摘 要

在當(dāng)今嚴(yán)酷的物流環(huán)境中，空調(diào)室內(nèi)機(jī)的薄弱件極易在運(yùn)輸搬運(yùn)過程中受到跌落沖擊而發(fā)生破損，本文利用ANSYS研發(fā)的仿真工具ANSYS Workbench作為仿真平臺，對空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件進(jìn)行跌落仿真分析，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)室內(nèi)機(jī);易損性表征;跌落仿真

中圖分類號： TM925.12 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.032

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)室內(nèi)機(jī)的殼體在物流運(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)室內(nèi)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其進(jìn)行對跌落過程進(jìn)行模擬。因此，本文利用ANSYS研發(fā)的ANSYS Workbench軟件對空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件進(jìn)行有限元建模，并對其跌落過程進(jìn)行仿真分析，從而考查空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件抗跌落沖擊的性能和包裝件在跌落過程中對產(chǎn)品的保護(hù)性。

1 空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件的有限元建模

1.1 簡化空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件幾何實(shí)體模型

空調(diào)室內(nèi)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。為了盡可能降低有限元模型分析的時(shí)間，在建立空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件幾何實(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。室內(nèi)機(jī)包裝件的幾何實(shí)體模型的簡化過程如下：

1）室內(nèi)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。鑒于空調(diào)室內(nèi)機(jī)的內(nèi)部的蒸發(fā)器和風(fēng)扇電機(jī)形狀較為復(fù)雜，本文僅考慮它們的質(zhì)量。因此，室內(nèi)機(jī)的幾何實(shí)體模型簡化為具有質(zhì)量塊的殼體。

2）為了簡化殼體的幾何實(shí)體模型，在殼體的建模過程中，忽略殼體上的圓角、弧線、凹槽等特征，簡化為規(guī)則的立方體結(jié)構(gòu)。

3）為了進(jìn)一步簡化幾何實(shí)體模型，出風(fēng)口部分的導(dǎo)風(fēng)板被簡化為平板實(shí)體。

4）為了縮短有限元求解時(shí)間，將包裝襯墊的幾何實(shí)體模型簡化為經(jīng)受底面沖擊的受力塊。

5）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。

最后，基于以上簡化程序，在三維建模軟件中為簡化后的室內(nèi)機(jī)包裝件建立模型，如圖1所示。

1.2 建立空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件有限元模型

1.2.1 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)室內(nèi)機(jī)包裝件初步有限元模型。

1.2.2 材料參數(shù)及接觸類型設(shè)定

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

為了方便建模，包裝件與地面之間的接觸方式設(shè)為光滑無摩擦，室內(nèi)機(jī)和包裝襯墊之間及包裝襯墊之間的接觸方式被設(shè)定為默認(rèn)的綁定。

1.2.3 網(wǎng)格劃分

通過軟件默認(rèn)的自動劃分法對室內(nèi)機(jī)包裝機(jī)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的室內(nèi)機(jī)包裝件有限元模型如圖2所示。

2 空調(diào)包裝件跌落仿真及分析

2.1 室內(nèi)機(jī)包裝件跌落仿真

建立空調(diào)包裝件的有限元模型后，在ANSYS Workbench中的瞬態(tài)沖擊模塊中對包裝件進(jìn)行跌落仿真分析。重力加速度為9.8?？紤]到減少計(jì)算機(jī)有限元分析的時(shí)間，跌落時(shí)僅考慮底面跌落，即底面與水平面呈平行狀態(tài)。

室內(nèi)機(jī)的跌落高度設(shè)定為50cm，做自由落體運(yùn)動。地面設(shè)置為剛性。考慮到減少計(jì)算機(jī)有限元分析的時(shí)間，一般會為包裝件設(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，對不同時(shí)刻包裝件的最大加速度和應(yīng)力分布進(jìn)行可視化處理。

2.2 跌落仿真結(jié)果分析

包裝跌落仿真的目的是為了模擬測試包裝對產(chǎn)品的緩沖作用，即觀察產(chǎn)品在跌落過程中是否受到損壞。本文中利用沖擊脆值Gc和外殼的許用應(yīng)力[σ]表征空調(diào)機(jī)易損性，也是檢驗(yàn)仿真結(jié)果的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

1）室內(nèi)機(jī)在跌落沖擊時(shí)產(chǎn)生的最大加速度是否超過產(chǎn)品的沖擊脆性Gc值。

2）跌落沖擊過程中，作用于室內(nèi)機(jī)最大應(yīng)力是否超過殼體的許用應(yīng)力[σ]。

室內(nèi)機(jī)在跌落過程產(chǎn)生的加速度云圖如圖3所示，由圖中的數(shù)據(jù)可知，室內(nèi)機(jī)的最大沖擊加速度為167.79m/s2，即17.1g，小于其沖擊脆值40g。

跌落沖擊過程中，外殼材料的屈服應(yīng)力89MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于室內(nèi)機(jī)外殼上受到的等效應(yīng)力。由此判斷，在跌落過程中，空調(diào)室內(nèi)機(jī)的殼體不會發(fā)生損壞，即塑性變形或脆性開裂現(xiàn)象。

基于以上兩方面綜合分析，可得出結(jié)論：室內(nèi)機(jī)的緩沖包裝襯墊起到了較好的緩沖包裝作用，滿足了緩沖包裝設(shè)計(jì)的緩沖要求。

3 結(jié)論

本文在合理簡化空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件的幾何模型的基礎(chǔ)上，建立了空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件有限元模型。利用ANSYS Work bench的瞬態(tài)沖擊模塊仿真模擬空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件的跌落沖擊過程，并通過包裝件在跌落過程中的最大加速度和等效應(yīng)力云圖，通過分析得出結(jié)論，空調(diào)室內(nèi)機(jī)包裝件可滿足跌落沖擊過程中對包裝的抗跌落沖擊的要求，可有效空調(diào)室內(nèi)機(jī)殼體在跌落沖擊過程中的緩沖保護(hù)性要求。

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