某空調(diào)壓機(jī)地板變形的有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

1、<p>　　某空調(diào)壓機(jī)地板變形的有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要：針對(duì)某空調(diào)器室外機(jī)進(jìn)行跌落試驗(yàn)時(shí)壓機(jī)底板變形問題，運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法，對(duì)壓機(jī)底板的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了分析研究，提出了包裝件合理的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，針對(duì)新方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。進(jìn)行了包裝件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)開發(fā)出的產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證明了有限元分析的合理性。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：壓機(jī) 有限元

2、 應(yīng)力 </p><p><b>　　緒論 </b></p><p>　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jī)、微型計(jì)算機(jī)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(jì)出性能優(yōu)越的產(chǎn)品，也就是要提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)一次成功率，減少設(shè)計(jì)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(yùn)中難免地會(huì)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(jì)往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去判定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可否達(dá)到要求，而沒有進(jìn)行理論分析。或者說設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之初沒有根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度要求的零件，而是樣機(jī)制作后通過小批試制來反映問題，從而對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，導(dǎo)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(jì)就是采取以上的設(shè)計(jì)方法，通過Pro/Engineer快速設(shè)計(jì)出滿足外觀要求且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，借助干涉檢驗(yàn)及模擬運(yùn)動(dòng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)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(yàn)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(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)運(yùn)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(jì)的角度主要討論了產(chǎn)品包裝內(nèi)部襯托的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。湯伯森等人等以包裝件的力學(xué)模型為依據(jù)，用脈沖響應(yīng)法求解產(chǎn)品中易損零件對(duì)振動(dòng)環(huán)境的響應(yīng)[3]。黃道敏等人運(yùn)用動(dòng)態(tài)仿真工具包來仿真包裝件在多種激勵(lì)下及跌落過程中的動(dòng)態(tài)特性[4]。郭彥峰等人研究了運(yùn)輸包裝緩沖系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真流程和建模理論與方法[5]。王志偉等首次把洗衣機(jī)運(yùn)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(jī)箱體和桶體的

6、不同的沖擊譜[6]。 </p><p>　　根據(jù)國標(biāo)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(jī)地板跌落試驗(yàn)[7]。本文運(yùn)用有限元數(shù)值分析的方法，通過建立某型號(hào)空調(diào)二自由度動(dòng)力學(xué)模型，確定了其室外機(jī)壓機(jī)底板跌落過程中的最大載荷。根據(jù)該載荷，對(duì)壓機(jī)底板的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)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(duì)包裝件合理的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析的可行性。 <

7、;/p><p>　　一、某空調(diào)壓機(jī)地板跌落實(shí)驗(yàn)中存在的問題 </p><p>　　空調(diào)器室外機(jī)壓縮機(jī)底板（圖1）是空調(diào)器室外機(jī)外殼的主要組成部分，由底盤、底腳和壓機(jī)固定螺栓組成，各部件通過點(diǎn)焊連接成一體。壓機(jī)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(jī)底板采用1.2mm厚冷軋鋼板（GB/T708），材料牌號(hào)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(hào)的室外機(jī)包裝件作為分析對(duì)象，進(jìn)行跌落載荷的分析。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要考慮各結(jié)構(gòu)件和包裝件之間的配合問題，強(qiáng)度設(shè)計(jì)則基本依據(jù)經(jīng)驗(yàn)。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完之后進(jìn)行樣件制作，樣機(jī)經(jīng)包裝后進(jìn)行跌落試驗(yàn)來驗(yàn)證產(chǎn)品是否滿足跌落強(qiáng)度要求。出現(xiàn)的問題主要是室外機(jī)壓機(jī)底板變形（圖2），迫切需要解決。 </p><p>　　圖1 壓機(jī)地板工程圖 圖2 室外機(jī)壓機(jī)底板跌落后變形狀態(tài) </p>&l

9、t;p>　　空調(diào)壓縮機(jī)通過三個(gè)減振底腳與底板連接，壓機(jī)底板和包裝組件的裝配圖如圖3。 </p><p>　　圖3 壓縮機(jī)側(cè)部件裝配示意圖 </p><p>　　二、壓機(jī)底板有限元模型的建立及應(yīng)力分析 </p><p>　　1.壓機(jī)底板有限元模型的建立 </p><p>　　實(shí)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(qiáng)度不小于200KPa（相對(duì)變形50?時(shí)壓縮應(yīng)力）”，由此可以估算出彈性模量的數(shù)值： </p><p><b>　　（1） </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>　?。?） </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(jì)算出底板與包裝托的接觸面積，即受力面積以及對(duì)應(yīng)包裝托的厚度，結(jié)合式（2）求出壓機(jī)側(cè)的包裝托等效彈簧剛度系數(shù)，電機(jī)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(jī)底板采用SHELL6

12、3殼單元，裝配的泡沫托采用Solid92實(shí)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(duì)底板與泡沫托接觸的部位和壓機(jī)底腳處等進(jìn)行加載。由于跌落時(shí)包裝托底面與沖擊臺(tái)是平面接觸，而臺(tái)面的剛度遠(yuǎn)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(jī)側(cè)載荷按面分布?jí)毫ψ饔糜陔姍C(jī)與底板的聯(lián)結(jié)面上，壓機(jī)側(cè)的載荷按壓縮機(jī)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?jí)毫ψ饔门c底板和底板與壓機(jī)底部相接觸的圓面上，橡膠墊對(duì)底板的作用力按分布?jí)毫ψ饔糜诙叩慕佑|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(jī)底板及泡沫托網(wǎng)格模型 圖5 壓機(jī)底板加載后有限元幾何模型 </p><p>　　3.壓機(jī)底板有限元分析結(jié)果 </p><

14、p>　　經(jīng)過ANSYS求解器的運(yùn)算，得到了底板應(yīng)力分布如圖6。 </p><p>　　圖6 壓機(jī)底板右側(cè)局部應(yīng)力分布 </p><p>　　從壓機(jī)底板應(yīng)力變形圖可以看出，壓縮機(jī)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(jī)底角處的局部區(qū)域中的應(yīng)力值超過了材料的屈服強(qiáng)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(jī)底腳處發(fā)生了明顯的不可恢復(fù)的塑性變形，而電機(jī)側(cè)在彈性變形范圍內(nèi)； </p><p>　　3.2變形狀態(tài)與實(shí)物基本一致，在實(shí)際的樣機(jī)試制跌落試驗(yàn)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(jì)改進(jìn) </b></p><p>　　設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，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(xué)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(dá)到以上兩個(gè)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(jī)減振墊

17、或者包裝泡沫板的剛度系數(shù)。壓縮機(jī)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(jì)改進(jìn)和增加板厚兩方面入手。 </p><p>　　圖7為改進(jìn)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(jì)算優(yōu)化而得出的），在原有的包裝托結(jié)構(gòu)中，壓機(jī)底腳處左側(cè)兩個(gè)橡膠墊支柱壓部為是懸空的現(xiàn)為泡沫墊實(shí)。 <

18、/p><p>　　圖7 改進(jìn)后的包裝托與底板裝配圖 </p><p>　　2.改進(jìn)后有限元模型分析 </p><p>　　同樣對(duì)模型進(jìn)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(yùn)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(jìn)后的有限元幾何模型 圖9改進(jìn)后壓機(jī)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(jī)底腳處，但最大應(yīng)力為181.374MPa，沒有超過材料的屈服強(qiáng)度235MPa，為彈性變形。改進(jìn)前后效果對(duì)比如表1。 </p><p>　　從表1中可以看出改進(jìn)后的壓機(jī)底板不但達(dá)到了跌落試驗(yàn)要求，同時(shí)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(yàn)驗(yàn)證 </b></p><p>　　空調(diào)器產(chǎn)品性能指標(biāo)符合GB/T 7725《房間空氣調(diào)節(jié)器》[8]的有關(guān)要求。在此標(biāo)準(zhǔn)中6.3.16包裝試驗(yàn)規(guī)定應(yīng)對(duì)包裝件進(jìn)行跌落試驗(yàn)，根據(jù)物流狀況分析，采用流通條件2進(jìn)行試驗(yàn)。以某型號(hào)室外機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)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(jī)底腳處墊實(shí)，并且更改為分體式結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，制作出樣件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)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(jìn)后的包裝件經(jīng)跌落試驗(yàn)后，完全達(dá)到了國標(biāo)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(jī)械損傷。 <

22、/p><p>　　2.結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的包裝件完全符合了國家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jì)效益。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </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(jī)器視覺自動(dòng)檢測技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013，7. </p><p>　　[4]黃道敏.緩沖包裝產(chǎn)品的動(dòng)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(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)（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(jī)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(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).房間空氣調(diào)節(jié)器G

25、B/T7725.中國標(biāo)準(zhǔn)書號(hào)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)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(jī)械研究與應(yīng)用，2011，5：35-37. </p>&