賀 志

（廣東美的制冷設備有限公司，廣東 佛山 528311）

0 引言

近年來，空調等家用電器已成為人們日常生活中不可缺少的一部分。然而，由于運輸過程中可能出現(xiàn)碰撞、摩擦以及振動等意外情況，導致產品出現(xiàn)破損，外觀、性能受到影響，從而給消費者以及商家?guī)磔^大的損失。因此，分析空調等家用電器包裝的抗跌落性能、對包裝結構進行優(yōu)化設計具有十分重要的研究價值和實踐意義。相關學者對包裝結構的性能分析、結構優(yōu)化開展了大量的研究工作，取得了很多有意義的成果，為包裝結構的性能分析、結構優(yōu)化提供了可行的研究方向以及實踐方案，但對不同的研究對象來說，依然存在許多問題需要研究，例如空調柜機結構在設計階段和包裝設計運輸階段的可靠性問題等?；诖耍P者以空調器內機包裝為研究對象，結合室內試驗、有限元數(shù)值模擬2種手段對空調器內機包裝結構性能分析以及結構優(yōu)化進行研究。其次，通過靜態(tài)壓縮試驗對包裝結構中復合紙板的材料力學性能進行分析，通過ANSYS軟件對空調器內機及包裝結構整體進行跌落仿真模擬，并結合模擬結果提出了優(yōu)化思路。最后，對優(yōu)化結構進行驗證。

1 空調器內機包裝系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

空調器內機包裝系統(tǒng)由空調器內機、柜機包裝結構2個部分組成。其中，空調器內機包括內機外殼、風柵、過濾網、離心風機、室內換熱器以及電氣控制系統(tǒng)等。如圖1所示，柜機包裝采用蜂窩一體化和泡沫組件自動覆膜技術方案，結構為由蜂窩、泡沫以及底紙組成的上下蓋組件（其內部結構是經過設備自動化壓痕、裁切、生產線拼裝以及底部覆膜制作而成的）。

圖1 柜機包裝結構

1.2 系統(tǒng)材料

空調器內機材料大多為ABS工程塑料。其中，內機外殼為鍍鋅鋼板，面板和底盤為ABS工程塑料，而左側板、右側板、后板及頂蓋為鋼板。柜機包裝結構為發(fā)泡EPS和紙質材料組成的復合結構，通過控制蜂窩芯紙和原紙的數(shù)量來滿足不同的實際需求，當紙張數(shù)量較多時，紙板強度、防潮性能提高，但生產難度增大，成本上升。

2 力學性能分析

2.1 靜態(tài)壓縮試驗

筆者對柜機包裝結構中的紙板進行靜態(tài)壓縮試驗，從而分析其力學性能。試驗裝置為LRX Plus型萬能電子材料試驗機，采用位移控制的方式進行加載。試驗裝置如圖2所示。

圖2 試驗裝置圖

在試驗準備階段，調整試驗裝置，測量試樣原始參數(shù)。當試驗開始時，將試樣放在試驗機的剛性板之間，采用位移控制加載方式進行加載。試驗環(huán)境溫度為（23±1）℃，相對濕度為（50±2）℃。直至試樣被壓潰，試驗結束，關閉試驗機，對試驗數(shù)據(jù)進行整理，計算試驗機的荷載、位移數(shù)據(jù)，得到試驗過程的應力-應變曲線，如圖3所示。

2.2 試驗結果分析

由圖3可知，復合紙板的加載曲線呈現(xiàn)波動演化的特征。筆者根據(jù)應力應變曲線的波動趨勢，將整個加載過程分為4個階段，即第一上升段、第一波動段、第二波動段、第二上升段和壓潰階段。當壓縮應變小于或等于7%時屬于第一上升段，該階段內荷載峰值上升至5.7 MPa；當壓縮應變?yōu)?%～12%時屬于第一波動段，荷載呈波動上升趨勢，上升至7.1 MPa；當壓縮應變?yōu)?2%～17%時屬于第二波動段，此時波動范圍比第一波動段大，這一階段結束時荷載降到4.4 MPa；當壓縮應變?yōu)?7%～23%時屬于第二上升段，荷載迅速上升，直到上升至15.3 MPa；當壓縮應變大于23%時屬于壓潰階段，此時紙板材料已壓縮失效。

圖3 應力-應變曲線

筆者經過分析發(fā)現(xiàn)，復合紙板應力-應變曲線的波動演化特征是由不同屈服強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到屈服強度后，抗壓能力降低，應力必然也會降低，而此時，其他未屈服的材料承擔壓力，應力還會繼續(xù)上升。因此，紙板-蜂窩的復合紙板結構使整體形成了“吸能讓位”的波動抗壓特征。

3 跌落仿真分析及優(yōu)化設計

3.1 模型建立

通過SolidWork軟件建立模型，導入ANSYS軟件進行有限元數(shù)值計算。柜機結構和包裝模型如圖4所示，模型共有1 257 744個節(jié)點、3 239 865個單元。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)實際焊點位置采用1Drigid單元來模擬點焊接方式，根據(jù)實際螺釘位置采用nodal rigid單元來模擬螺釘連接，不考慮鏈接失效。對系統(tǒng)中一些非關鍵零部件（例如風扇組件、電腦板等）來說，它們對結構強度的影響很小，對一些質量較大的零部件（例如電機、冷凝器等）來說，在保證質量分布不變的前提下也對其進行了簡化處理。

圖4 空調器內機包裝系統(tǒng)模型圖

3.2 參數(shù)設定

模型中的材料采用理想彈塑性本構模型，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個面、4個棱進行跌落仿真分析，跌落高度為480 mm。在設定仿真邊界條件的過程中，由于產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品不會發(fā)生變形，仿真分析只模擬產品與剛性地面碰撞以及回彈過程。NLGEOM設定為“開”，以位移控制方法作為收斂準則，即當選擇代數(shù)計算結果的位移值低于模型最大值的5%時，視為模型收斂；如果選擇代數(shù)超過25次，仍未收斂，則折半；如果反復折半次數(shù)超過20次，則視為達到極限失效，計算完成。

3.3 模擬結果分析

跌落仿真結果如圖5、圖6所示。其中，圖5為跌落仿真應力云圖，圖6為跌落仿真加速度云圖。由圖5可知，應力集中區(qū)域位于頂板的拐角、耦合連接處。應力集中處最大主應力已超過蜂窩紙板的屈服應力，但沒有超過強度極限。由圖6可知，沖擊區(qū)域集中在柜機外殼，最大區(qū)域出現(xiàn)在棱角處，最大沖擊加速度達到167.79 m/s，按照能量換算為17.1 g。分析認為，柜機棱角處是需要進行結構防護的重點區(qū)域，頂板的拐角、耦合連接處為應力集中區(qū)域，容易發(fā)生塑性變形或脆性斷裂，應在相應位置布置吸能材料；柜機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，應在該處設置結構優(yōu)化、布置剛度低的讓位屈服構件。

圖5 跌落仿真應力云圖

圖6 跌落仿真加速度云圖

3.4 優(yōu)化設計

根據(jù)第3.3節(jié)中對整個系統(tǒng)的跌落仿真分析來對系統(tǒng)防護的重點區(qū)域進行結構優(yōu)化。在包裝上蓋耦合連接處布置珍珠棉，對包裝下蓋進行結構設計，設置鏤空區(qū)域，并填充泡沫。包裝結構優(yōu)化區(qū)域如圖7所示。

圖7 包裝結構優(yōu)化區(qū)域示意圖

在完成包裝結構的優(yōu)化設計后，在仿真模型中對優(yōu)化后的包裝結構進行修改，參數(shù)設置、邊界條件保持不變，再進行跌落仿真模擬。模擬結果如圖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 結語

該文對空調器內機包裝結構性能分析以及結構優(yōu)化進行研究，得到以下3個結論：1） 紙板-蜂窩的復合紙板結構使整體形成了“吸能讓位”的波動抗壓特征。2） 頂板的拐角、耦合連接處為應力集中區(qū)域，容易發(fā)生塑性變形或脆性斷裂；柜機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、對包裝下蓋進行結構設計、設置鏤空區(qū)域以及填充泡沫等結構優(yōu)化措施都具有較好的效果。