空调器内机包装结构可靠性设计以及跌落仿真分析

贺 志

（广东美的制冷设备有限公司，广东 佛山 528311）

0 引言

近年来，空调等家用电器已成为人们日常生活中不可缺少的一部分。然而，由于运输过程中可能出现碰撞、摩擦以及振动等意外情况，导致产品出现破损，外观、性能受到影响，从而给消费者以及商家带来较大的损失。因此，分析空调等家用电器包装的抗跌落性能、对包装结构进行优化设计具有十分重要的研究价值和实践意义。相关学者对包装结构的性能分析、结构优化开展了大量的研究工作，取得了很多有意义的成果，为包装结构的性能分析、结构优化提供了可行的研究方向以及实践方案，但对不同的研究对象来说，依然存在许多问题需要研究，例如空调柜机结构在设计阶段和包装设计运输阶段的可靠性问题等。基于此，笔者以空调器内机包装为研究对象，结合室内试验、有限元数值模拟2种手段对空调器内机包装结构性能分析以及结构优化进行研究。其次，通过静态压缩试验对包装结构中复合纸板的材料力学性能进行分析，通过ANSYS软件对空调器内机及包装结构整体进行跌落仿真模拟，并结合模拟结果提出了优化思路。最后，对优化结构进行验证。

1 空调器内机包装系统

1.1 系统组成

空调器内机包装系统由空调器内机、柜机包装结构2个部分组成。其中，空调器内机包括内机外壳、风栅、过滤网、离心风机、室内换热器以及电气控制系统等。如图1所示，柜机包装采用蜂窝一体化和泡沫组件自动覆膜技术方案，结构为由蜂窝、泡沫以及底纸组成的上下盖组件（其内部结构是经过设备自动化压痕、裁切、生产线拼装以及底部覆膜制作而成的）。

图1 柜机包装结构

1.2 系统材料

空调器内机材料大多为ABS工程塑料。其中，内机外壳为镀锌钢板，面板和底盘为ABS工程塑料，而左侧板、右侧板、后板及顶盖为钢板。柜机包装结构为发泡EPS和纸质材料组成的复合结构，通过控制蜂窝芯纸和原纸的数量来满足不同的实际需求，当纸张数量较多时，纸板强度、防潮性能提高，但生产难度增大，成本上升。

2 力学性能分析

2.1 静态压缩试验

笔者对柜机包装结构中的纸板进行静态压缩试验，从而分析其力学性能。试验装置为LRX Plus型万能电子材料试验机，采用位移控制的方式进行加载。试验装置如图2所示。

图2 试验装置图

在试验准备阶段，调整试验装置，测量试样原始参数。当试验开始时，将试样放在试验机的刚性板之间，采用位移控制加载方式进行加载。试验环境温度为（23±1）℃，相对湿度为（50±2）℃。直至试样被压溃，试验结束，关闭试验机，对试验数据进行整理，计算试验机的荷载、位移数据，得到试验过程的应力-应变曲线，如图3所示。

2.2 试验结果分析

由图3可知，复合纸板的加载曲线呈现波动演化的特征。笔者根据应力应变曲线的波动趋势，将整个加载过程分为4个阶段，即第一上升段、第一波动段、第二波动段、第二上升段和压溃阶段。当压缩应变小于或等于7%时属于第一上升段，该阶段内荷载峰值上升至5.7 MPa；当压缩应变为7%～12%时属于第一波动段，荷载呈波动上升趋势，上升至7.1 MPa；当压缩应变为12%～17%时属于第二波动段，此时波动范围比第一波动段大，这一阶段结束时荷载降到4.4 MPa；当压缩应变为17%～23%时属于第二上升段，荷载迅速上升，直到上升至15.3 MPa；当压缩应变大于23%时属于压溃阶段，此时纸板材料已压缩失效。

图3 应力-应变曲线

笔者经过分析发现，复合纸板应力-应变曲线的波动演化特征是由不同屈服强度带来的差异而造成的。从材料的角度来看，其受压过程可分为4个阶段：压密阶段、线弹性阶段、弹塑性阶段以及屈服阶段。在其中的某种材料达到屈服强度后，抗压能力降低，应力必然也会降低，而此时，其他未屈服的材料承担压力，应力还会继续上升。因此，纸板-蜂窝的复合纸板结构使整体形成了“吸能让位”的波动抗压特征。

3 跌落仿真分析及优化设计

3.1 模型建立

通过SolidWork软件建立模型，导入ANSYS软件进行有限元数值计算。柜机结构和包装模型如图4所示，模型共有1 257 744个节点、3 239 865个单元。其中，包装衬垫为四面体单元，钣金件和纸箱为壳单元，规则塑胶件为六面体单元，不规则塑胶件为四面体单元。根据实际焊点位置采用1Drigid单元来模拟点焊接方式，根据实际螺钉位置采用nodal rigid单元来模拟螺钉连接，不考虑链接失效。对系统中一些非关键零部件（例如风扇组件、电脑板等）来说，它们对结构强度的影响很小，对一些质量较大的零部件（例如电机、冷凝器等）来说，在保证质量分布不变的前提下也对其进行了简化处理。

图4 空调器内机包装系统模型图

3.2 参数设定

模型中的材料采用理想弹塑性本构模型，不考虑其硬化性能。ABS工程塑料密度为1.5×10t/mm，弹性模量为2 360 MPa，泊松比为0.394，屈服应力为42 MPa；纸板密度为2.4×10t/mm，弹性模量为200 MPa，泊松比为0.340，屈服应力为12 MPa；EPS泡沫密度为2×10t/mm，弹性模量为20 MPa，泊松比为0.080。

对模型的6个面、4个棱进行跌落仿真分析，跌落高度为480 mm。在设定仿真边界条件的过程中，由于产品自由落体的过程中只受自身重力与空气的摩擦阻力的影响，因此自由落体阶段产品不会发生变形，仿真分析只模拟产品与刚性地面碰撞以及回弹过程。NLGEOM设定为“开”，以位移控制方法作为收敛准则，即当选择代数计算结果的位移值低于模型最大值的5%时，视为模型收敛；如果选择代数超过25次，仍未收敛，则折半；如果反复折半次数超过20次，则视为达到极限失效，计算完成。

3.3 模拟结果分析

跌落仿真结果如图5、图6所示。其中，图5为跌落仿真应力云图，图6为跌落仿真加速度云图。由图5可知，应力集中区域位于顶板的拐角、耦合连接处。应力集中处最大主应力已超过蜂窝纸板的屈服应力，但没有超过强度极限。由图6可知，冲击区域集中在柜机外壳，最大区域出现在棱角处，最大冲击加速度达到167.79 m/s，按照能量换算为17.1 g。分析认为，柜机棱角处是需要进行结构防护的重点区域，顶板的拐角、耦合连接处为应力集中区域，容易发生塑性变形或脆性断裂，应在相应位置布置吸能材料；柜机外壳受冲击作用明显，棱角处影响尤为突出，容易发生冲击损坏，应在该处设置结构优化、布置刚度低的让位屈服构件。

图5 跌落仿真应力云图

图6 跌落仿真加速度云图

3.4 优化设计

根据第3.3节中对整个系统的跌落仿真分析来对系统防护的重点区域进行结构优化。在包装上盖耦合连接处布置珍珠棉，对包装下盖进行结构设计，设置镂空区域，并填充泡沫。包装结构优化区域如图7所示。

图7 包装结构优化区域示意图

在完成包装结构的优化设计后，在仿真模型中对优化后的包装结构进行修改，参数设置、边界条件保持不变，再进行跌落仿真模拟。模拟结果如图8、图9所示。其中，图8为顶部珍珠棉仿真变形云图，图9为顶部泡沫仿真变形云图。由图8、图9可知，珍珠棉、泡沫在跌落过程中发生了较大的变形，即对整个系统来说，起到了一定的吸能、让位作用。

图8 顶部珍珠棉仿真变形云图

图9 顶部泡沫仿真变形云图

4 结语

该文对空调器内机包装结构性能分析以及结构优化进行研究，得到以下3个结论：1） 纸板-蜂窝的复合纸板结构使整体形成了“吸能让位”的波动抗压特征。2） 顶板的拐角、耦合连接处为应力集中区域，容易发生塑性变形或脆性断裂；柜机外壳受冲击作用明显，棱角处影响尤为突出，容易发生冲击损坏。3） 在包装上盖耦合连接处布置珍珠棉、对包装下盖进行结构设计、设置镂空区域以及填充泡沫等结构优化措施都具有较好的效果。