唐榮華 劉豆豆 冷少華 夏培均 李越峰

（四川長虹空調(diào)有限公司 綿陽 621000）

前言

隨著空調(diào)類產(chǎn)品逐步走向智能化、自動化，其需求的自動或半自動運動部件數(shù)量和運動方式隨之增加，且其運動機構(gòu)復(fù)雜性也隨之提升，因空調(diào)類相關(guān)制品的特殊性，運動機構(gòu)類中的塑料制件較大概率處于溫度變化較快、溫差變化較大的環(huán)境中，其因冷熱交替產(chǎn)生的變形、收縮膨脹，極大的影響了產(chǎn)品或部件的使用可靠性。且過快的溫差變化極易導(dǎo)致制件表面凝水，致使產(chǎn)品使用性下降。因此，合理的設(shè)計運動制件的結(jié)構(gòu)及輔助加強件形態(tài)、輔助保溫層是提升產(chǎn)品可靠性的基石。

1 結(jié)構(gòu)模型建立

通過結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真設(shè)計，是塑料件制品的常規(guī)設(shè)計過程。一般經(jīng)過以下步驟：三維結(jié)構(gòu)設(shè)計?仿真優(yōu)化?簡易加工制品進(jìn)行實驗?對比仿真結(jié)果與實驗結(jié)果，反復(fù)上述優(yōu)化過程，使塑料制件達(dá)到設(shè)計需求的結(jié)構(gòu)強度。

優(yōu)先分析的基本概念就是將復(fù)雜的物理對象進(jìn)行離散化 ，在采用基于子域的試函數(shù)描述，充分利用計算機的數(shù)值處理能力，對任意復(fù)雜的問題進(jìn)行數(shù)值求解[1,2]。

具體的設(shè)計建模優(yōu)化過程如圖1所示。

圖1 建模優(yōu)化過程

本次研究分析以一款可滑動空調(diào)面框為例，三維實體模型用于描述一般性的復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)。采用直接生產(chǎn)的節(jié)點和單元的方法得到三維模型十分困難，通常通過建立實體模型導(dǎo)入的方法更為方便[1]。使用三維軟件完成面框、EPS保溫層、輔助加強件三維模型建模。三維模型如圖2所示。

圖2 實體三維模型

2 模型網(wǎng)格劃分

將模型導(dǎo)入仿真軟件，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]，并針對細(xì)微結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行補平和修復(fù)，對面框、EPS保溫層、輔助加強件分別進(jìn)行網(wǎng)格處理，最終劃分模型如圖3～5所示。

圖3 面框網(wǎng)格圖

圖4 EPS泡沫網(wǎng)格圖

圖5 輔助加強件網(wǎng)格圖

3 環(huán)境分析

空調(diào)運行模式，存在冷熱交替的為制冷模式、制熱模式。針對上述可滑動面框，2種模式溫度跨度或使用環(huán)境差異較大，為保證滑動面框在極致環(huán)境溫度或極致使用條件下具有較大的可靠性，本次仿真優(yōu)化分析按照以下條件進(jìn)行模擬分析：

1）制冷模式下極限溫度仿真，內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度40 ℃、外側(cè)環(huán)境溫度10 ℃；

2）制熱模式下極限溫度仿真，內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度5 ℃、外側(cè)環(huán)境溫度50 ℃；

以上模式，均可保證空調(diào)在超高溫制冷、超低溫制熱情況下，仿真模擬滑動面框瞬間變形尺寸及變形方向、趨勢。

4 邊界條件設(shè)置

本文通過專業(yè)網(wǎng)格前處理軟件分別對面板、EPS泡沫、輔助加強件三個結(jié)構(gòu)件進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，提高求解精度，再通過后處理軟件[3]進(jìn)行空調(diào)制冷、制熱溫度場分析。網(wǎng)格處理完成后，賦予三個零部件各自材料參數(shù)，并設(shè)置面板組件溫度場邊界條件，通過模擬本滑動面板空調(diào)使用環(huán)境工況，制冷時，面板組件制冷直吹面溫度10 ℃，其余面設(shè)置相應(yīng)環(huán)境溫度40 ℃，制熱時，面板組件直吹面溫度50 ℃，面板組件其余面設(shè)置相應(yīng)環(huán)境溫度5 ℃，同時對鈑金與面板連接部位進(jìn)行共節(jié)點，求解相關(guān)溫度場及變形場。

5 仿真數(shù)據(jù)分析

冷熱溫度變化對塑壓件影響較大，尤為外觀件，本文先對原狀態(tài)面板組件進(jìn)行研究，隨后討論優(yōu)化后的面板組件，原狀態(tài)面板組件包括滑動面板，EPS泡沫，對其進(jìn)行制冷、制熱仿真后，發(fā)現(xiàn)變形結(jié)果較大，嚴(yán)重影響空調(diào)整機運行可靠性，制冷時，面板末端變形10.2 mm，且呈內(nèi)凹狀態(tài)，制熱時，面板變形12.44 mm，且呈外翻狀態(tài)。通過初步實物制件第一版測試，實驗結(jié)果表明仿真結(jié)果與其基本一致，圖6為原狀態(tài)制冷變形，圖7為原狀態(tài)制熱變形圖。

圖6 優(yōu)化前制冷狀態(tài)

圖7 優(yōu)化前制熱狀態(tài)

為解決上述面板組件在制冷、制熱出現(xiàn)的變形問題，引入了輔助加強板加強組件剛度，從而提高面板組件的可靠性，優(yōu)化后制冷，面板變形為2.42 mm，呈內(nèi)凹狀態(tài)，制熱時，面板變形為3.02 mm，呈外翻狀態(tài)，通過實驗對比，與仿真結(jié)果一致，圖8為優(yōu)化后制冷變形，圖9為優(yōu)化后態(tài)制熱變形圖。

圖8 優(yōu)化后制冷狀態(tài)

圖9 優(yōu)化后制熱狀態(tài)

6 優(yōu)化方式

經(jīng)過仿真數(shù)據(jù)分析確認(rèn)，滑動面框在極限溫差變化情況下，長度方向變形尺寸相對很大，且塑料制件本身受冷熱沖擊下，變形呈現(xiàn)不可抗等現(xiàn)象，結(jié)合材料屬性及抗變形強度、運動件質(zhì)量不可過大等問題，選擇鋁合金件作為輔助加強件，并將鋁合金截面按照“?”進(jìn)行設(shè)計，中間避空減重。且使用EPE保溫泡沫件，防止鋁合金受冷熱快速沖擊，保證鋁合金在滑動面框長時間使用情況下的強度及可恢復(fù)性，鋁合金件與滑動面板按照螺釘固定連接，保證其剛性有效傳遞至滑動面板上。

7 試驗驗證

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計算結(jié)果，變形及抗變形結(jié)果滿足基本要求后，產(chǎn)品按照優(yōu)化數(shù)據(jù)建模開發(fā)，實物進(jìn)行常規(guī)環(huán)境空調(diào)極限制冷、極限制熱實體測試，此次測試?yán)每照{(diào)測試晗差室，穩(wěn)定室內(nèi)、室外工況，模擬產(chǎn)品極限變形情況。具體測試方式如圖10所示。

圖10 與固定位置測試標(biāo)準(zhǔn)

將空調(diào)室內(nèi)機掛置室內(nèi)工況室，晗差室環(huán)境溫度按照仿真分析溫度設(shè)置，將室內(nèi)機整體（包含滑動畫框）靜置于此環(huán)境中，使滑動面框溫度與環(huán)境溫度升溫至一致，至少1 h靜置后，測量滑動面框與周邊固定件的間隙值；然后開啟空調(diào)進(jìn)行制冷或制熱，并在10 min后時間內(nèi)開啟滑動面框，測量面板標(biāo)識固定點位A與周邊固定件的間隙值，如圖11、圖12所示。

圖11 制件測試下邊緣間隙值

圖12 制件測試上邊緣A點間隙值

8 仿真數(shù)據(jù)與實驗驗證數(shù)據(jù)對比分析

測試完成后，匯總仿真優(yōu)化產(chǎn)品與優(yōu)化后制件滑動面框形同溫度變量測試結(jié)果，根據(jù)產(chǎn)品運動間隙需求，對比制件上邊緣A點測試數(shù)據(jù)情況，如表1（制冷模式）、表2（制熱模式）所示。

表1 制冷模式A點間隙差值

表2 制熱模式A點間隙差值

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)對比分析，優(yōu)化方案明顯提升了滑動面框整體抗溫度變形強度，同時優(yōu)化后產(chǎn)品試驗后，放置于室溫條件下，優(yōu)化后產(chǎn)品可快速恢復(fù)至實驗前平直狀態(tài)。

9 結(jié)論

對于空調(diào)內(nèi)運動部件溫度沖擊變形仿真優(yōu)化實驗，本文按照初步結(jié)構(gòu)建模設(shè)計、仿真優(yōu)化、配合分析塑料制件本有特性[4]，增加輔助加強件設(shè)計，再次仿真分析，實物生產(chǎn)狀態(tài)驗證，完成空調(diào)產(chǎn)品運動部件的抗溫度沖擊變形量優(yōu)化，滿足了設(shè)計要求。

將塑料制件熱變形、局部保溫、輔助件強度設(shè)計結(jié)合，運用仿真技術(shù)，大大的提升了產(chǎn)品設(shè)計實效，為后續(xù)設(shè)計類似懸空運動部件提供了可靠的方法及思路。