某空調(diào)壓機地板變形的有限元分析及改進設(shè)計

1、<p>　　某空調(diào)壓機地板變形的有限元分析及改進設(shè)計</p><p>　　摘 要：針對某空調(diào)器室外機進行跌落試驗時壓機底板變形問題，運用有限元數(shù)值分析方法，對壓機底板的應(yīng)力分布狀態(tài)進行了分析研究，提出了包裝件合理的結(jié)構(gòu)改進方案，針對新方案進行了試驗驗證。進行了包裝件的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計，對開發(fā)出的產(chǎn)品進行了實驗研究，證明了有限元分析的合理性。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：壓機 有限元

2、 應(yīng)力 </p><p><b>　　緒論 </b></p><p>　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，空調(diào)、電冰箱、電視機、微型計算機等家用電器產(chǎn)品已成為家庭必備的日常用品。企業(yè)要想持久地占領(lǐng)市場，必須不斷適應(yīng)市場潮流變化，推陳出新，在較短的開發(fā)周期中設(shè)計出性能優(yōu)越的產(chǎn)品，也就是要提高產(chǎn)品的設(shè)計一次成功率，減少設(shè)計缺陷，適應(yīng)變化的市場需求。但是空調(diào)包裝

3、件在安裝搬運中難免地會發(fā)生意外的碰撞和跌落，從而使其性能受到很大的影響，因此產(chǎn)品包裝件的抗跌落性能也是產(chǎn)品開發(fā)的主要內(nèi)容之一，提高空調(diào)抗跌落性能有利于保證產(chǎn)品的性能。 </p><p>　　傳統(tǒng)的設(shè)計往往根據(jù)經(jīng)驗去判定結(jié)構(gòu)的強度可否達到要求，而沒有進行理論分析?；蛘哒f設(shè)計者在設(shè)計之初沒有根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計出滿足強度要求的零件，而是樣機制作后通過小批試制來反映問題，從而對原有結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，導致產(chǎn)品開發(fā)周期延

4、長、成本增加。目前空調(diào)器結(jié)構(gòu)設(shè)計就是采取以上的設(shè)計方法，通過Pro/Engineer快速設(shè)計出滿足外觀要求且結(jié)構(gòu)復雜的產(chǎn)品，借助干涉檢驗及模擬運動對產(chǎn)品進行仿真。 </p><p>　　明德林提出采用刨花、紙屑、礦渣棉、棉花等材料作為緩沖材料，貴重儀器則采用彈簧支架的懸浮包裝[1]。美國的牛頓通過試驗方法求出邊界損壞條件來確定產(chǎn)品損壞極限值―脆值，為緩沖包裝設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。國內(nèi)許多學者對運輸包裝緩沖系統(tǒng)跌落沖

5、擊作了研究。馬金盛等人從緩沖設(shè)計的角度主要討論了產(chǎn)品包裝內(nèi)部襯托的結(jié)構(gòu)強度與形狀的優(yōu)化設(shè)計[2]。湯伯森等人等以包裝件的力學模型為依據(jù)，用脈沖響應(yīng)法求解產(chǎn)品中易損零件對振動環(huán)境的響應(yīng)[3]。黃道敏等人運用動態(tài)仿真工具包來仿真包裝件在多種激勵下及跌落過程中的動態(tài)特性[4]。郭彥峰等人研究了運輸包裝緩沖系統(tǒng)的計算機仿真流程和建模理論與方法[5]。王志偉等首次把洗衣機運輸緩沖包裝系統(tǒng)簡化成兩自由度的沖擊模型，研究在矩形脈沖下洗衣機箱體和桶體的

6、不同的沖擊譜[6]。 </p><p>　　根據(jù)國標GB/T 7725《房間空氣調(diào)節(jié)器》，空調(diào)包裝后要滿足規(guī)定條件下的壓機地板跌落試驗[7]。本文運用有限元數(shù)值分析的方法，通過建立某型號空調(diào)二自由度動力學模型，確定了其室外機壓機底板跌落過程中的最大載荷。根據(jù)該載荷，對壓機底板的應(yīng)力分布狀態(tài)進行了數(shù)值分析，得出底板在最大載荷下的變形狀態(tài)，并提出了對包裝件合理的結(jié)構(gòu)改進方案，通過試驗驗證了有限元分析的可行性。 <

7、;/p><p>　　一、某空調(diào)壓機地板跌落實驗中存在的問題 </p><p>　　空調(diào)器室外機壓縮機底板（圖1）是空調(diào)器室外機外殼的主要組成部分，由底盤、底腳和壓機固定螺栓組成，各部件通過點焊連接成一體。壓機底板為沖壓成型件，由鋼板通過沖壓成型模制作而成。空調(diào)室外機底板采用1.2mm厚冷軋鋼板（GB/T708），材料牌號為Q235-GB/T11253，經(jīng)模具成型后表面噴塑而成。 </p&

8、gt;<p>　　以某型號的室外機包裝件作為分析對象，進行跌落載荷的分析。傳統(tǒng)設(shè)計方法主要考慮各結(jié)構(gòu)件和包裝件之間的配合問題，強度設(shè)計則基本依據(jù)經(jīng)驗。圖紙設(shè)計完之后進行樣件制作，樣機經(jīng)包裝后進行跌落試驗來驗證產(chǎn)品是否滿足跌落強度要求。出現(xiàn)的問題主要是室外機壓機底板變形（圖2），迫切需要解決。 </p><p>　　圖1 壓機地板工程圖 圖2 室外機壓機底板跌落后變形狀態(tài) </p>&l

9、t;p>　　空調(diào)壓縮機通過三個減振底腳與底板連接，壓機底板和包裝組件的裝配圖如圖3。 </p><p>　　圖3 壓縮機側(cè)部件裝配示意圖 </p><p>　　二、壓機底板有限元模型的建立及應(yīng)力分析 </p><p>　　1.壓機底板有限元模型的建立 </p><p>　　實際生產(chǎn)中所采用的包裝緩沖材料大多數(shù)屬于非線性彈性體，泡沫包裝托

10、要求中其材料的“壓縮強度不小于200KPa（相對變形50?時壓縮應(yīng)力）”，由此可以估算出彈性模量的數(shù)值： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　由包裝托體的結(jié)構(gòu)形狀尺寸可近似得出剛度 </p><p><b>　　（2） </b></p><p>　　式中： A―受力部

11、位面積/； </p><p>　　L―受力部位厚度/。 </p><p>　　根據(jù)零件的工程圖紙計算出底板與包裝托的接觸面積，即受力面積以及對應(yīng)包裝托的厚度，結(jié)合式（2）求出壓機側(cè)的包裝托等效彈簧剛度系數(shù)，電機側(cè)的包裝托等效彈簧剛度系數(shù). </p><p>　　2.劃分網(wǎng)格、加載和約束 </p><p>　　劃分網(wǎng)格 壓機底板采用SHELL6

12、3殼單元，裝配的泡沫托采用Solid92實體單元，二者之間的相互連接采用自由度耦合[8]（圖4）。 </p><p>　　載荷和約束 對底板與泡沫托接觸的部位和壓機底腳處等進行加載。由于跌落時包裝托底面與沖擊臺是平面接觸，而臺面的剛度遠大于包裝托泡沫剛度，因此包裝托底面的約束條件為垂直方向位移為零，水平位移不受限制。電機側(cè)載荷按面分布壓力作用于電機與底板的聯(lián)結(jié)面上，壓機側(cè)的載荷按壓縮機及底板等效質(zhì)量比分為兩部分，

13、大小為和，分別按分布體積力和面分布壓力作用與底板和底板與壓機底部相接觸的圓面上，橡膠墊對底板的作用力按分布壓力作用于二者的接觸面上。 </p><p>　　有限元邊界約束及加載模型[9]如圖5。 </p><p>　　圖4 壓機底板及泡沫托網(wǎng)格模型 圖5 壓機底板加載后有限元幾何模型 </p><p>　　3.壓機底板有限元分析結(jié)果 </p><

14、p>　　經(jīng)過ANSYS求解器的運算，得到了底板應(yīng)力分布如圖6。 </p><p>　　圖6 壓機底板右側(cè)局部應(yīng)力分布 </p><p>　　從壓機底板應(yīng)力變形圖可以看出，壓縮機底腳處發(fā)生了明顯的變形，最大應(yīng)力值為313.15MPa，底板上壓機底角處的局部區(qū)域中的應(yīng)力值超過了材料的屈服強度235MPa，必然產(chǎn)生塑性變形。 </p><p>　　由以上分析可得出如

15、下結(jié)果： 　　3.1跌落后壓機底腳處發(fā)生了明顯的不可恢復的塑性變形，而電機側(cè)在彈性變形范圍內(nèi)； </p><p>　　3.2變形狀態(tài)與實物基本一致，在實際的樣機試制跌落試驗中，底板變形也主要發(fā)生在此部位，與分析的結(jié)果是相吻合的。 </p><p><b>　　三、結(jié)構(gòu)設(shè)計改進 </b></p><p>　　設(shè)計結(jié)構(gòu)的改進，主要減小底板此部位的

16、沖擊應(yīng)力值，避免塑性變形的產(chǎn)生[10]。 </p><p>　　1.根據(jù)材料力學理論，主要有兩種方法： </p><p>　　減小底板所受載荷； </p><p>　　提高底板自身承載能力。 </p><p>　　要達到以上兩個目的可以從以下措施入手： </p><p>　　1.1調(diào)整緩沖彈性體的剛度，即減小壓機減振墊

17、或者包裝泡沫板的剛度系數(shù)。壓縮機減振墊為空調(diào)器產(chǎn)品內(nèi)部件； </p><p>　　1.2提高底板剛度可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計改進和增加板厚兩方面入手。 </p><p>　　圖7為改進后的包裝托與底板裝配后的三維造型圖，將原來的整體泡沫托整體加厚20mm并更改為分體結(jié)構(gòu)（20mm的厚度是經(jīng)反求計算優(yōu)化而得出的），在原有的包裝托結(jié)構(gòu)中，壓機底腳處左側(cè)兩個橡膠墊支柱壓部為是懸空的現(xiàn)為泡沫墊實。 <

18、/p><p>　　圖7 改進后的包裝托與底板裝配圖 </p><p>　　2.改進后有限元模型分析 </p><p>　　同樣對模型進行簡化以及約束加載。圖8為經(jīng)簡化后的有限元幾何模型，經(jīng)過ANSYS求解器的運算，得到了底板應(yīng)力分布圖，如圖9所示底板薄弱部位的局部應(yīng)力分布。 </p><p>　　圖8 改進后的有限元幾何模型 圖9改進后壓機底板右

19、側(cè)局部應(yīng)力分布 </p><p><b>　　3.分析結(jié)果 </b></p><p>　　從圖9應(yīng)力變形圖可以看出，變形最大處仍為壓機底腳處，但最大應(yīng)力為181.374MPa，沒有超過材料的屈服強度235MPa，為彈性變形。改進前后效果對比如表1。 </p><p>　　從表1中可以看出改進后的壓機底板不但達到了跌落試驗要求，同時材料用量減少，

20、還降低了材料的使用成本，效果十分顯著。 </p><p><b>　　四、試驗驗證 </b></p><p>　　空調(diào)器產(chǎn)品性能指標符合GB/T 7725《房間空氣調(diào)節(jié)器》[8]的有關(guān)要求。在此標準中6.3.16包裝試驗規(guī)定應(yīng)對包裝件進行跌落試驗，根據(jù)物流狀況分析，采用流通條件2進行試驗。以某型號室外機為研究對象，對應(yīng)的跌落高度為300cm。 </p>

21、<p>　　將包裝托的整體厚度加大20mm，且壓機底腳處墊實，并且更改為分體式結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，制作出樣件。實驗結(jié)果滿足設(shè)計要求，證明了有限元分析的正確性，可以正常生產(chǎn)。 </p><p><b>　　五、結(jié)論 </b></p><p>　　1.改進后的包裝件經(jīng)跌落試驗后，完全達到了國標要求。即包裝外觀應(yīng)無明顯破損和變形；產(chǎn)品表面及零部件沒有機械損傷。 <

22、/p><p>　　2.結(jié)構(gòu)改進后的包裝件完全符合了國家標準及企業(yè)標準要求，提高了產(chǎn)品的一次合格率，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了新產(chǎn)品調(diào)試時的廢品率，降低了產(chǎn)品的制造成本，為公司新產(chǎn)品的上市打好了良好的基礎(chǔ)，帶來了很大的經(jīng)濟效益。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]5 step Packaging Dev

23、elopment，MTS Systems Coprotion ，1998.. </p><p>　　[2]馬金盛.緩沖及防震包裝的研究[J].包裝工程，2002，23（5）：35-38. </p><p>　　[3]余文勇，石繪.機器視覺自動檢測技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013，7. </p><p>　　[4]黃道敏.緩沖包裝產(chǎn)品的動態(tài)特性及其仿真方法[

24、J].包裝工程，1999，20（4）： 47-49. </p><p>　　[5]尚久浩，張淳，李思益. 自動機械設(shè)計（第二版）[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2010，8. </p><p>　　[6]王志偉.洗衣機包裝系統(tǒng)在矩形波沖擊下的特性研究[J].包裝工程，1997，（Z1）：12～15. </p><p>　　[7]中國國家標準化委員會.房間空氣調(diào)節(jié)器G

25、B/T7725.中國標準書號[S].北京：中國標準出版社，2005. </p><p>　　[8]趙小月，張德海，劉慧靜.某門體端部翹曲的有限元分析及改進設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用，2011，5：78-79+82. </p><p>　　[9]李一耕，陳錦江，龍超，等.基于ANSYS的球軸承赫茲接觸問題有限元分析[J].機械研究與應(yīng)用，2011，5：35-37. </p>&