余衛(wèi)權(quán) 賴孝成

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

在目前家用空調(diào)室外機設(shè)計中，出風格柵除了應使前端風阻盡量小，滿足風量、噪音的要求外，同時也應滿足國標中機械危險的安全性要求。出風格柵開模前的驗證，常用的手段是通過制作手板樣件來進行測試確定，由于工藝的限制，手板采用的材料與最終模具生產(chǎn)采用的材料是不同的，這樣就很難在設(shè)計初期對格柵結(jié)構(gòu)強度進行準確計算，更多是依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗確定，導致后期一旦測試不通過，模具更改難度大、成本高且浪費時間。本文以某型室外機出風格柵為例，在風量及噪音已確定的前提下，通過引入仿真分析，在投模前對結(jié)構(gòu)強度進行校核，降低人為因素的影響，使其達到設(shè)計要求，提高設(shè)計準確性，減少改模，提高效率，降低成本。

1 理論分析思路

根據(jù)GB4706.1—2005《家用和類似用途電器的安全通用要求》中第8章“對觸及帶電部件的防護”、第20章“穩(wěn)定性及機械危險”、第22章“結(jié)構(gòu)”中的相關(guān)描述，外機出風格柵結(jié)構(gòu)安全方面需滿足以下幾點：

（1）器具的結(jié)構(gòu)和外殼應使其對意外觸及帶電部件有足夠的防護。用試驗指加力到20 N，試驗指應不能碰到帶電部件（電機軸視為可能帶電部件）。

（2）對防止接觸帶電部件、防水或防止接觸運動部件的不可拆卸零件，應以可靠方式固定，且應承受住在正常使用中出現(xiàn)的機械應力。以最不利的方向施加力于蓋或零件可能薄弱的部位，并持續(xù)10 s。但不得使用猛力，施加的力為50 N推力（出風格柵通常采用螺釘固定，且不會有軸向拉力，拉力測試視為合格）。

（3）器具運動部件的放置或封蓋，應在正常使用中對人身傷害提供充分保護，通過視檢及用試驗指施加一個不超過5 N的力來檢查合格性。防護性外殼、防護罩和類似部件，應是不可拆卸部件，并且應有足夠的機械強度（為便于測量，文中數(shù)據(jù)用11號探棒代替B型探棒進行測試，兩探棒間頭部基本尺寸相同，11號探棒帶測力計，測試示意圖如圖1所示）。

圖1 11號探棒測試示意圖

對于上述必須滿足標準的3點中，第（1）點試驗指不能碰到電機軸，因軸流風葉中間區(qū)域?qū)︼L量影響可忽略不計，格柵的中間設(shè)計可采用加密格柵間隔筋條或封閉式結(jié)構(gòu)來滿足強度要求，設(shè)計上比較容易達到標準要求；第（2）點由于出風格柵通常采用螺釘固定于面板上，風葉與格柵距離通常在20 mm以上，也比較容易達到標準要求；關(guān)鍵是第（3）點，不同機型的格柵其主筋、輔筋因風量、噪音關(guān)系其間隔、高度、跨度有所不同，抗試驗指穿透的強度不一，再加上設(shè)計之初，手板驗證受限于制作工藝限制，所用材料為ABS，但實際產(chǎn)品采用材料為PP，兩種材料的差異帶來強度方面的不同，造成理論設(shè)計與實際所需尺寸之間偏差較大，導致實際新開模樣件達不到電氣安全的要求，使得后期改模困難，成本增加及開發(fā)周期延長。此為本文重點解決的問題點，通過引入有限元分析理論，模擬試驗指在不同格柵尺寸參數(shù)下穿過格柵所需要的力，優(yōu)化出一套格柵的參數(shù)，為新設(shè)計進風格柵滿足結(jié)構(gòu)安全標準提供理論參考。

2 仿真力學分析

在出風格柵的三維PROE模型上，利用Hypermesh作為前處理工具對出風格柵和試驗指進行網(wǎng)格劃分、載荷的施加、邊界條件的創(chuàng)建等，然后采用ANSYS作為計算和后處理工具，仿真模擬了試驗指穿過格柵的整個動態(tài)過程，方便觀察到格柵的最大應力和應變，以及試驗指穿過格柵所需要最小的力，并通過實際零件驗證該理論分析的正確性。

2.1 格柵與試驗指的建模途徑和力學分析

為了準確地評估格柵的力學性能，需要建立其三維模型，用Hypermesh和ANSYS軟件對三維模型進行有限元分析。以方形格柵為例，對三維模型進行適當簡化，建立格柵的兩條主筋、兩條輔筋以及試驗指的簡化模型，并進行前處理后，導入ANSYS軟件進行計算。分析臨界狀態(tài)下穿過該格柵所需要的力，確定是否滿足結(jié)構(gòu)安全標準。

出風格柵的主要參數(shù)如表1所示，不同的參數(shù)將會導致穿過格柵的力不同。

以方案1尺寸為例建立格柵的三維模型，試驗指的尺寸參數(shù)一定，裝配后如圖2所示，直接將格柵與試驗指的裝配模型轉(zhuǎn)化為.stp格式并導入Hypermesh軟件中。

2.2 格柵模型的前置處理

2.2.1 確定格柵與試驗指的分析類型

格柵與試驗指的測試過程中主要是兩個面進行接觸和變形，試驗指施加力的大小是根據(jù)面本身相互作用的接觸力確定的，整過試驗指穿過格柵為一個動態(tài)的過程，預先設(shè)定的試驗指的力是緩慢的增加到所設(shè)置的力。所以，格柵與試驗指的測試過程為面-面接觸非線性動態(tài)力學分析類型。

2.2.2 單元類型的選擇及網(wǎng)格的劃分

格柵在整個過程中可以看做是剛體，不會發(fā)生變形，因此用二維的SHELL單元來模擬，在材料性質(zhì)中設(shè)置單元的厚度為1 mm即可，格柵選用的單元類型選擇正六面體單元模擬。劃分網(wǎng)格的有限元模型如圖3所示。

圖2 格柵與試驗指三維模型

圖3 格柵與試驗指有限元模型

2.3 材料常數(shù)的定義

格柵的材料為PP料，材料彈性模量EX=1.2E9，泊松比為0.27，密度為1.19E-09，試驗指的材料為不銹鋼，材料彈性模量EX=2.1E11，泊松比為0.33，密度為7.8E-09。

2.4 定義接觸對、載荷、約束等邊界條件

定義試驗指的外表面為主接觸面，格柵的內(nèi)表面為輔助接觸面，創(chuàng)建面-面接觸對。由于試驗指已定義為剛體，施加在試驗指上的載荷為9 N，系統(tǒng)自動把9 N的力施加在試驗指的質(zhì)心位置，試驗指約束住除了在豎直方向的自由度之外的所有自由度，格柵約束住側(cè)向主筋與輔筋側(cè)向的所有自由度，如圖4、圖5所示。

表1 格柵參數(shù)

圖4 格柵與試驗指接觸對創(chuàng)建

圖5 格柵與試驗指邊界條件

2.5 設(shè)置求解選項及輸出計算結(jié)果等后處理

通過Hypermesh軟件輸出K文件，導入ANSYS軟件中進行計算，求解選項如下：計算終止時間0.24 s，計算載荷子步2E-4 s，每0.002 s輸出一次結(jié)果。

根據(jù)計算結(jié)果，如圖6、圖7所示，在9 N的時試驗指能穿過格柵，格柵的最大變形在正中間位置，變形后剛好可以讓試驗指穿過，由于試驗指沒有約束在豎直方向的自由度，而力施加的載荷是從0到9 N逐漸增加的過程，所以會出現(xiàn)試驗指反彈的現(xiàn)象，格柵的最大受力點也在主筋的中間，受到的最大的力為33 N，可通過動畫效果來觀察整個動態(tài)的穿透過程。

圖6 試驗指與格柵剛接觸時云圖

圖7 試驗指穿透格柵時最大應力云圖

3 臨界穿透力的確定

由于格柵試驗指的測試需要確定臨界穿透力，確保該穿透力在要求的5 N范圍內(nèi)。目前通過軟件并不能一次性計算出該穿透力，需重復計算，更改施加在試驗指上的載荷的值，逐步逼近該臨界穿透力。

格柵的參數(shù)選用表1中方案1，模擬在施加在試驗指上的載荷F分別為：5 N、8 N、9 N、10 N的時候，格柵的最大變形圖如圖8～圖11所示。

圖8 格柵最大受力F=5 N

圖9 格柵最大受力F=8 N

圖10 格柵最大受力F=9 N

圖11 格柵最大受力F=10 N

根據(jù)以上模擬分析可得到：當F≥9 N的時候，試驗指能穿過格柵，當F≤9 N時，試驗指不能穿過格柵，因此格柵參數(shù)為方案1時的臨界穿透力為9 N，格柵的最大應力與載荷的關(guān)系圖如圖12所示。

圖12 格柵最大應力圖

4 格柵穿透力實驗驗證

從方案1的仿真數(shù)據(jù)來看，試驗指的臨界穿透力為9 N，理論上已滿足＞5 N的標準要求，實測按方案1開模的出風格柵，其實際穿透力在11～13 N之間，已遠大于5 N的要求；同時，為驗證格柵間隔變化對穿透力的影響，對不同方案進行仿真計算與實際零件測試如表2所示，數(shù)據(jù)表明仿真穿透力較實際小，理論計算與實際有一定的偏差，主要是材料常數(shù)定義偏差、時間步、載荷約束等所致，但在實際運用中均能保證結(jié)構(gòu)強度，滿足標準的測試要求。此外，從仿真數(shù)據(jù)及實際驗證看，試驗指的穿透力對寬度變化較為敏感。

表2 仿真穿透力與零件實際穿透力對比

5 結(jié)論及設(shè)計數(shù)據(jù)推薦

通過仿真模擬與實際零件的測試對比，可得出該理論分析的正確性，并獲得塑料出風格柵設(shè)計時滿足結(jié)構(gòu)安全標準基本參數(shù)：

（1）影響塑料格柵能否滿足安全標準的重要參數(shù)為格柵間隔的長度及寬度，試驗指推力與其呈反比關(guān)系，且間隔寬度的變化對試驗指推力影響更大，因此，選取的時候盡量低于前面所分析的臨界值10 mm。長度建議在50 mm以下。

（2）相同PP材料不同生產(chǎn)廠家存在性能差異，仿真分析材料常數(shù)定義要有所調(diào)整，如果設(shè)計時未留余量或余量較小極有可能批量生產(chǎn)出現(xiàn)不能滿足安全標準的情況，理論設(shè)計參數(shù)滿足≥9 N比較合理。

（3）家用空調(diào)室外機在使用中，常常伴有高溫高濕的環(huán)境，出風格柵存在一定的軟化，其強度會受影響，設(shè)計余量的預留建議在標準值5 N的兩倍以上。同時，需考慮筋條拔模斜度與圓角對結(jié)果的影響。

[1] 黃銳.塑料工程手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2] 聞邦椿.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3] 喬建軍.Pro/ENGINEER Wildfire5.0動力學與有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.