張鵬娥 趙 林 紀(jì)春榮 李祖吉 潘 鋒 劉志剛

*(珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519070)?(上海迅仿工程技術(shù)有限公司，上海201100)

家電產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中，經(jīng)常出現(xiàn)意外跌落情況，為了保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)跌落工況下的可靠性，在產(chǎn)品出廠前進(jìn)行跌落試驗(yàn)?zāi)M[1]。其中，對(duì)于空調(diào)內(nèi)機(jī)，需要進(jìn)行角、棱、面不同角度的多次跌落試驗(yàn)。跌落試驗(yàn)經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、破壞等問題，出現(xiàn)問題后的整改周期較長(zhǎng)，成本較高。為了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段提前預(yù)測(cè)試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題，可以借助有限元數(shù)值仿真方法，通過仿真預(yù)測(cè)問題并進(jìn)行優(yōu)化，有效降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低試驗(yàn)成本。參考文獻(xiàn)[2-5]將有限元數(shù)值仿真方法應(yīng)用到汽車、航空、交通運(yùn)輸、家電產(chǎn)品等領(lǐng)域的碰撞沖擊仿真，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論支持。目前的研究只針對(duì)單次跌落仿真分析[6-9]，未考慮連續(xù)跌落產(chǎn)生的累加損傷對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)和泡沫的影響，與試驗(yàn)工況不相符合，造成仿真損傷程度偏輕，特別是泡沫，在多次跌落后，材料性能會(huì)偏硬，降低了保護(hù)緩沖的作用，所以多次連續(xù)跌落需要考慮損傷累加。

本文針對(duì)空調(diào)內(nèi)機(jī)開展了材料力學(xué)性能研究及連續(xù)跌落仿真研究，并通過仿真與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，標(biāo)定后的仿真相關(guān)參數(shù)及仿真模型可為后續(xù)產(chǎn)品的跌落仿真提供重要的參考依據(jù)，為家電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)提供重要的驗(yàn)證方法。

1 顯式動(dòng)力學(xué)方法

空調(diào)跌落沖擊屬于典型的動(dòng)力學(xué)問題，動(dòng)力學(xué)方程如下所示[10]

式中，F(xiàn)(t)為施加的載荷矢量；M，C，K 分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；¨u，˙u，u分別為節(jié)點(diǎn)加速度矢量、速度矢量和位移矢量。

LS-DYNA 軟件可以計(jì)算復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)問題，包括邊界非線性、結(jié)構(gòu)非線性和材料非線性問題，其優(yōu)勢(shì)是顯式動(dòng)力學(xué)計(jì)算，對(duì)于高速?zèng)_擊、爆炸、碰撞等瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題具有較好的適用性[11]。LS-DYNA 求解方式主要是通過中心差分法，如下所述。

圖1 所示為典型的單自由度體系，系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量分別為k和m，在質(zhì)量點(diǎn)施加載荷F。

已知在t時(shí)刻的所有物理量，包括加速度at，位移xt等。如不考慮系統(tǒng)的阻尼，基于式(1)t和t+dt時(shí)刻的動(dòng)力學(xué)方程如下

通過中心差分法求解t+dt/2時(shí)刻的速度結(jié)果

從而獲得下一時(shí)刻的加速度結(jié)果

中心差分法條件穩(wěn)定，跌落仿真采用顯式動(dòng)力學(xué)方法具有更好的適用性，同時(shí)在計(jì)算過程中收斂性也更好。

圖1 單自由度受力系統(tǒng)

2 材料試驗(yàn)及材料卡片制定

空調(diào)結(jié)構(gòu)主要包括11 個(gè)組件：電器盒、蒸發(fā)器、底殼泡沫、出風(fēng)擋板組件、風(fēng)葉組件、掛板、面板體、上面板、底殼和紙箱、包裝泡沫，如圖2所示。

對(duì)于空調(diào)內(nèi)部剛度較大的結(jié)構(gòu)，在跌落過程中不會(huì)出現(xiàn)破壞失效，如電機(jī)結(jié)構(gòu)等，可以通過剛體進(jìn)行建模；對(duì)于主要承重及緩沖結(jié)構(gòu)，如底殼和泡沫，則需要通過準(zhǔn)確的彈塑性材料模型進(jìn)行建模。準(zhǔn)確的材料模型需要進(jìn)行材料試驗(yàn)及材料標(biāo)定。本研究選取了空調(diào)中的面板體、底殼電器盒、泡沫等6 種主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)力學(xué)材料試驗(yàn)并建立仿真材料卡片，如表1所示。

圖2 空調(diào)整機(jī)模型組件

表1 空調(diào)材料試驗(yàn)和本構(gòu)模型

表1 中，塑料、金屬材料以拉伸變形為主，其拉伸和壓縮性能基本一致，通過拉伸試驗(yàn)獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；泡沫材料以壓縮變形為主，通過壓縮試驗(yàn)獲得材料的壓縮體積應(yīng)力-應(yīng)變曲線；橡膠材料需要同時(shí)考慮拉伸、壓縮和剪切，通過單軸拉伸和平面拉伸獲得對(duì)應(yīng)單軸和多軸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；同時(shí)，對(duì)主要材料還需考慮其應(yīng)變率效應(yīng)[12]。為保證材料一致性，以上每項(xiàng)試驗(yàn)需要進(jìn)行3 次以上的重復(fù)性試驗(yàn)。根據(jù)材料屬性，在LS-DYNA 材料庫中選取合適的材料本構(gòu)進(jìn)行模擬[13]，塑料和金屬采用*MAT_024 材料模擬，橡膠和泡沫分別采用*MAT_077 和*MAT_083 材料。詳細(xì)的材料試驗(yàn)及仿真標(biāo)定如下文所述。

圖3 樣件試驗(yàn)前后狀態(tài)

為了保證材料的準(zhǔn)確性，試樣直接從零件結(jié)構(gòu)上切割，然后進(jìn)行相應(yīng)的材料試驗(yàn)，不同材料試驗(yàn)前后狀態(tài)如圖3所示。

金屬和塑料試驗(yàn)數(shù)據(jù)為力-位移，需將力-位移曲線轉(zhuǎn)化成工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，然后將工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化成真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并對(duì)曲線外推至塑性應(yīng)變值2 左右，本文基于Swift 硬化準(zhǔn)則[14]。

式中，εp為塑性應(yīng)變，ε0為頸縮點(diǎn)塑性應(yīng)變，K和n為硬化參數(shù)。采用Swift 準(zhǔn)則外推的硬化曲線一般剛度會(huì)偏大[15]，可采用tanh函數(shù)進(jìn)行修正

式中，εp為真實(shí)塑性應(yīng)變，k為修正參數(shù)。

通過以上方法得出材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，輸入到LS-DYNA材料卡片，并通過仿真的力- 位移曲線與試驗(yàn)的力-位移曲線進(jìn)行對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證及修正材料準(zhǔn)確性。圖4 所示為不同材料在準(zhǔn)靜態(tài)和不同應(yīng)變率的拉伸、壓縮工況下的力-位移曲線。

圖4 不同材料試驗(yàn)和有限元力-位移曲線

從以上仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可以看出力-位移曲線擬合度較好，表明以上試驗(yàn)方法是合理的。

3 跌落試驗(yàn)及仿真對(duì)標(biāo)

3.1 空調(diào)跌落試驗(yàn)

對(duì)空調(diào)進(jìn)行連續(xù)跌落試驗(yàn)，試驗(yàn)順序?yàn)椋航堑?、棱跌、面跌，如圖5所示。

跌落試驗(yàn)中，通過加速度傳感器測(cè)試不同時(shí)刻的加速度值。為了避免局部模態(tài)導(dǎo)致的振動(dòng)影響，選取剛度較大的位置粘貼傳感器，測(cè)試位置如圖6 所示，其中兩個(gè)傳感器位置在空調(diào)底殼上，另外兩個(gè)傳感器位置在面板體上。

3.2 空調(diào)跌落仿真

對(duì)空調(diào)進(jìn)行有限元建模仿真，鈑金結(jié)構(gòu)、塑料結(jié)構(gòu)采用殼單元?jiǎng)澐?，泡沫和橡膠結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元?jiǎng)澐?。其中殼單元?shù)量為50 萬，實(shí)體單元數(shù)量為130 萬。

圖5 空調(diào)三種不同跌落狀態(tài)

圖6 跌落加速度傳感器位置

連續(xù)跌落工況是將上一步的變形、應(yīng)力及應(yīng)變映射到下一步的分析結(jié)果中，在LS-DYNA 中可以通過重啟動(dòng)方式和DYNAIN 文件方式傳遞上一步分析的結(jié)果?？紤]到連續(xù)跌落分析需要調(diào)整在每一步分析調(diào)整結(jié)構(gòu)的角度和位置，采用DYNAIN 方式更加便捷。連續(xù)跌落通過DYNAIN 文件將結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力及應(yīng)變傳遞給下一步的分析，在下一步分析中根據(jù)試驗(yàn)跌落姿勢(shì)調(diào)整邊界條件。

通過以上跌落試驗(yàn)和仿真，泡沫和面板出現(xiàn)了局部破壞，仿真和試驗(yàn)的破壞位置基本一致，如下圖7所示。

在角棱面跌落工況下，試驗(yàn)與仿真的4 處傳感器位置的加速度時(shí)程結(jié)果對(duì)比，如圖8所示。

圖7 空調(diào)跌落試驗(yàn)與仿真的破壞狀態(tài)

圖8 空調(diào)跌落試驗(yàn)與仿真的加速度曲線

將仿真與試驗(yàn)的加速度曲線進(jìn)行相關(guān)度分析，曲線的相關(guān)度分別達(dá)到96%，94%，93%和98%，加速度峰值的大小及峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本一致。

4 結(jié)論

通過以上方法，實(shí)現(xiàn)了仿真與試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)，得出以下結(jié)論：

(1) ABS、泡沫、Q235A 材料具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，在家電產(chǎn)品的跌落仿真中，應(yīng)考慮其材料的應(yīng)變率效應(yīng)的影響；

(2)通過DYNAIN文件方式可以實(shí)現(xiàn)損傷累加，即可以將上一個(gè)工況的變形、應(yīng)力及應(yīng)變映射到下一個(gè)工況，作為下一個(gè)工況的輸入，使得仿真與試驗(yàn)工況相符合，得出了仿真和試驗(yàn)的破壞位置一致，且4個(gè)位置的加速度曲線相似度在90%以上；

以上連續(xù)跌落模擬可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品在跌落實(shí)驗(yàn)中的潛在問題，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和包裝性能設(shè)計(jì)提供可靠的評(píng)估手段。