空調(diào)器內(nèi)機(jī)包裝結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)以及跌落仿真分析

賀 志

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528311）

0 引言

近年來，空調(diào)等家用電器已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?。然而，由于運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)碰撞、摩擦以及振動(dòng)等意外情況，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)破損，外觀、性能受到影響，從而給消費(fèi)者以及商家?guī)磔^大的損失。因此，分析空調(diào)等家用電器包裝的抗跌落性能、對包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的研究價(jià)值和實(shí)踐意義。相關(guān)學(xué)者對包裝結(jié)構(gòu)的性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化開展了大量的研究工作，取得了很多有意義的成果，為包裝結(jié)構(gòu)的性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可行的研究方向以及實(shí)踐方案，但對不同的研究對象來說，依然存在許多問題需要研究，例如空調(diào)柜機(jī)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段和包裝設(shè)計(jì)運(yùn)輸階段的可靠性問題等?；诖?，筆者以空調(diào)器內(nèi)機(jī)包裝為研究對象，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬2種手段對空調(diào)器內(nèi)機(jī)包裝結(jié)構(gòu)性能分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究。其次，通過靜態(tài)壓縮試驗(yàn)對包裝結(jié)構(gòu)中復(fù)合紙板的材料力學(xué)性能進(jìn)行分析，通過ANSYS軟件對空調(diào)器內(nèi)機(jī)及包裝結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行跌落仿真模擬，并結(jié)合模擬結(jié)果提出了優(yōu)化思路。最后，對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 空調(diào)器內(nèi)機(jī)包裝系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

空調(diào)器內(nèi)機(jī)包裝系統(tǒng)由空調(diào)器內(nèi)機(jī)、柜機(jī)包裝結(jié)構(gòu)2個(gè)部分組成。其中，空調(diào)器內(nèi)機(jī)包括內(nèi)機(jī)外殼、風(fēng)柵、過濾網(wǎng)、離心風(fēng)機(jī)、室內(nèi)換熱器以及電氣控制系統(tǒng)等。如圖1所示，柜機(jī)包裝采用蜂窩一體化和泡沫組件自動(dòng)覆膜技術(shù)方案，結(jié)構(gòu)為由蜂窩、泡沫以及底紙組成的上下蓋組件（其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是經(jīng)過設(shè)備自動(dòng)化壓痕、裁切、生產(chǎn)線拼裝以及底部覆膜制作而成的）。

圖1 柜機(jī)包裝結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)材料

空調(diào)器內(nèi)機(jī)材料大多為ABS工程塑料。其中，內(nèi)機(jī)外殼為鍍鋅鋼板，面板和底盤為ABS工程塑料，而左側(cè)板、右側(cè)板、后板及頂蓋為鋼板。柜機(jī)包裝結(jié)構(gòu)為發(fā)泡EPS和紙質(zhì)材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過控制蜂窩芯紙和原紙的數(shù)量來滿足不同的實(shí)際需求，當(dāng)紙張數(shù)量較多時(shí)，紙板強(qiáng)度、防潮性能提高，但生產(chǎn)難度增大，成本上升。

2 力學(xué)性能分析

2.1 靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

筆者對柜機(jī)包裝結(jié)構(gòu)中的紙板進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，從而分析其力學(xué)性能。試驗(yàn)裝置為LRX Plus型萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)，采用位移控制的方式進(jìn)行加載。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置圖

在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，調(diào)整試驗(yàn)裝置，測量試樣原始參數(shù)。當(dāng)試驗(yàn)開始時(shí)，將試樣放在試驗(yàn)機(jī)的剛性板之間，采用位移控制加載方式進(jìn)行加載。試驗(yàn)環(huán)境溫度為（23±1）℃，相對濕度為（50±2）℃。直至試樣被壓潰，試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算試驗(yàn)機(jī)的荷載、位移數(shù)據(jù)，得到試驗(yàn)過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3可知，復(fù)合紙板的加載曲線呈現(xiàn)波動(dòng)演化的特征。筆者根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線的波動(dòng)趨勢，將整個(gè)加載過程分為4個(gè)階段，即第一上升段、第一波動(dòng)段、第二波動(dòng)段、第二上升段和壓潰階段。當(dāng)壓縮應(yīng)變小于或等于7%時(shí)屬于第一上升段，該階段內(nèi)荷載峰值上升至5.7 MPa；當(dāng)壓縮應(yīng)變?yōu)?%～12%時(shí)屬于第一波動(dòng)段，荷載呈波動(dòng)上升趨勢，上升至7.1 MPa；當(dāng)壓縮應(yīng)變?yōu)?2%～17%時(shí)屬于第二波動(dòng)段，此時(shí)波動(dòng)范圍比第一波動(dòng)段大，這一階段結(jié)束時(shí)荷載降到4.4 MPa；當(dāng)壓縮應(yīng)變?yōu)?7%～23%時(shí)屬于第二上升段，荷載迅速上升，直到上升至15.3 MPa；當(dāng)壓縮應(yīng)變大于23%時(shí)屬于壓潰階段，此時(shí)紙板材料已壓縮失效。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

筆者經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合紙板應(yīng)力-應(yīng)變曲線的波動(dòng)演化特征是由不同屈服強(qiáng)度帶來的差異而造成的。從材料的角度來看，其受壓過程可分為4個(gè)階段：壓密階段、線彈性階段、彈塑性階段以及屈服階段。在其中的某種材料達(dá)到屈服強(qiáng)度后，抗壓能力降低，應(yīng)力必然也會(huì)降低，而此時(shí)，其他未屈服的材料承擔(dān)壓力，應(yīng)力還會(huì)繼續(xù)上升。因此，紙板-蜂窩的復(fù)合紙板結(jié)構(gòu)使整體形成了“吸能讓位”的波動(dòng)抗壓特征。

3 跌落仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 模型建立

通過SolidWork軟件建立模型，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算。柜機(jī)結(jié)構(gòu)和包裝模型如圖4所示，模型共有1 257 744個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 239 865個(gè)單元。其中，包裝襯墊為四面體單元，鈑金件和紙箱為殼單元，規(guī)則塑膠件為六面體單元，不規(guī)則塑膠件為四面體單元。根據(jù)實(shí)際焊點(diǎn)位置采用1Drigid單元來模擬點(diǎn)焊接方式，根據(jù)實(shí)際螺釘位置采用nodal rigid單元來模擬螺釘連接，不考慮鏈接失效。對系統(tǒng)中一些非關(guān)鍵零部件（例如風(fēng)扇組件、電腦板等）來說，它們對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響很小，對一些質(zhì)量較大的零部件（例如電機(jī)、冷凝器等）來說，在保證質(zhì)量分布不變的前提下也對其進(jìn)行了簡化處理。

圖4 空調(diào)器內(nèi)機(jī)包裝系統(tǒng)模型圖

3.2 參數(shù)設(shè)定

模型中的材料采用理想彈塑性本構(gòu)模型，不考慮其硬化性能。ABS工程塑料密度為1.5×10t/mm，彈性模量為2 360 MPa，泊松比為0.394，屈服應(yīng)力為42 MPa；紙板密度為2.4×10t/mm，彈性模量為200 MPa，泊松比為0.340，屈服應(yīng)力為12 MPa；EPS泡沫密度為2×10t/mm，彈性模量為20 MPa，泊松比為0.080。

對模型的6個(gè)面、4個(gè)棱進(jìn)行跌落仿真分析，跌落高度為480 mm。在設(shè)定仿真邊界條件的過程中，由于產(chǎn)品自由落體的過程中只受自身重力與空氣的摩擦阻力的影響，因此自由落體階段產(chǎn)品不會(huì)發(fā)生變形，仿真分析只模擬產(chǎn)品與剛性地面碰撞以及回彈過程。NLGEOM設(shè)定為“開”，以位移控制方法作為收斂準(zhǔn)則，即當(dāng)選擇代數(shù)計(jì)算結(jié)果的位移值低于模型最大值的5%時(shí)，視為模型收斂；如果選擇代數(shù)超過25次，仍未收斂，則折半；如果反復(fù)折半次數(shù)超過20次，則視為達(dá)到極限失效，計(jì)算完成。

3.3 模擬結(jié)果分析

跌落仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。其中，圖5為跌落仿真應(yīng)力云圖，圖6為跌落仿真加速度云圖。由圖5可知，應(yīng)力集中區(qū)域位于頂板的拐角、耦合連接處。應(yīng)力集中處最大主應(yīng)力已超過蜂窩紙板的屈服應(yīng)力，但沒有超過強(qiáng)度極限。由圖6可知，沖擊區(qū)域集中在柜機(jī)外殼，最大區(qū)域出現(xiàn)在棱角處，最大沖擊加速度達(dá)到167.79 m/s，按照能量換算為17.1 g。分析認(rèn)為，柜機(jī)棱角處是需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域，頂板的拐角、耦合連接處為應(yīng)力集中區(qū)域，容易發(fā)生塑性變形或脆性斷裂，應(yīng)在相應(yīng)位置布置吸能材料；柜機(jī)外殼受沖擊作用明顯，棱角處影響尤為突出，容易發(fā)生沖擊損壞，應(yīng)在該處設(shè)置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布置剛度低的讓位屈服構(gòu)件。

圖5 跌落仿真應(yīng)力云圖

圖6 跌落仿真加速度云圖

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)第3.3節(jié)中對整個(gè)系統(tǒng)的跌落仿真分析來對系統(tǒng)防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在包裝上蓋耦合連接處布置珍珠棉，對包裝下蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)置鏤空區(qū)域，并填充泡沫。包裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域如圖7所示。

圖7 包裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域示意圖

在完成包裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在仿真模型中對優(yōu)化后的包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，參數(shù)設(shè)置、邊界條件保持不變，再進(jìn)行跌落仿真模擬。模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。其中，圖8為頂部珍珠棉仿真變形云圖，圖9為頂部泡沫仿真變形云圖。由圖8、圖9可知，珍珠棉、泡沫在跌落過程中發(fā)生了較大的變形，即對整個(gè)系統(tǒng)來說，起到了一定的吸能、讓位作用。

圖8 頂部珍珠棉仿真變形云圖

圖9 頂部泡沫仿真變形云圖

4 結(jié)語

該文對空調(diào)器內(nèi)機(jī)包裝結(jié)構(gòu)性能分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究，得到以下3個(gè)結(jié)論：1） 紙板-蜂窩的復(fù)合紙板結(jié)構(gòu)使整體形成了“吸能讓位”的波動(dòng)抗壓特征。2） 頂板的拐角、耦合連接處為應(yīng)力集中區(qū)域，容易發(fā)生塑性變形或脆性斷裂；柜機(jī)外殼受沖擊作用明顯，棱角處影響尤為突出，容易發(fā)生沖擊損壞。3） 在包裝上蓋耦合連接處布置珍珠棉、對包裝下蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)置鏤空區(qū)域以及填充泡沫等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施都具有較好的效果。