跌落仿真在分體式空調器室內機包裝優化的應用

劉顯威 肖肖 朱森旺 賀志 惠順利

廣東美的制冷設備有限公司 廣東順德 528311

1 引言

家電產品由生產端到消費者終端，在搬運與運輸過程中，往往會經受外界的各種碰撞、振動以及沖擊破壞。合理的設計產品緩沖包裝結構顯得尤為重要，以往家電產品的緩沖包裝設計的好壞往往依賴包裝設計工程的經驗來決定，沒有可靠的理論依據，這樣設計出來的緩沖包裝結構或多或少都會存在過保護。隨著近年來包裝材料成本日益上漲，家電行業整體利潤逐漸走低，為了保證產品的競爭力與盈利水平，對原有緩沖包裝結構進行優化設計成為家電廠家降低成本，提升產品競爭力的有效手段[1,2]。

2 包裝優化與跌落仿真

傳統的緩沖包裝優化手段，主要是依據經驗重新設計方案，然后進行實物測試驗證，反復多次進行優化，這樣多次實物測試費用較高，比較耗時，往往還達不到有效的降本收益[3]。利用跌落仿真分析技術能夠有效的模擬產品在運輸過程中發生的碰撞與沖擊，能有效直觀的發現產品結構薄弱點，有針對性的對緩沖泡沫結構進行避空，避免外界沖擊力傳導至產品薄弱部位，通過跌落仿真分析還可以發現緩沖泡沫各工況，壓縮變形量，對壓縮變形量較小的泡沫部位尺寸可進行減薄或偷料。本文以一款分體式空調器室內機為例，研究跌落仿真分析在緩沖泡沫結構優化中的應用[4,5]。

圖1為該款空調器室內機現有包裝左右緩沖泡沫結構圖，其材質為發泡聚苯乙烯（EPS），該泡沫緩沖結構存在局部緩沖過厚，對產品存在一定的過保護，緩沖泡沫外尺寸過大，相應配套的紙箱尺寸過大，產品包裝整體材料成本較高，儲運成本也較高。本文利用Ls-Dyna模擬產品跌落沖擊過程，發現產品本身結構薄弱處，以及泡沫結構過保護部位，快速針對性的對泡沫結構重新優化設計，達到降本增效目的。

3 跌落仿真對空調器室內機包裝緩沖泡沫優化

3.1 空調器室內機網格建模

3.1.1 幾何模型說明

空調器室內機主要由底盤組件、面框組件、面板組件、導風板、蒸發器組件、電機等零部件組成，零件之間的連接主要是通過卡扣與螺釘連接，塑料件材質主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）、抗沖擊性聚苯乙烯塑料（HIPS）、聚碳酸酯塑料（PC），鈑金件材質主要由紫銅（Cu）與鍍鋅鋼板（SPCC）。圖2與圖3為空調器室內機主要零部件結構分布圖。

圖1 室內機左右緩沖泡沫結構

圖3 空調器室內機底側

圖2 空調器室內機頂側

圖4 空調器室內機整機模型

圖6 底面跌落原右泡沫壓縮形變云圖

圖7 頂面跌落原左泡沫壓縮形變云圖

圖9 左側跌落原左泡沫壓縮形變云圖

圖8 頂面跌落原右泡沫壓縮形變云圖

圖10 右側跌落原右泡沫應力云圖

3.1.2 網格模型劃分

模型中鈑金件與紙箱采用四邊形殼單元（少量三角形單元），塑料件以及泡沫結構采用四面體單元和六面體單元，蒸發器組件金屬部分不考慮失效采用剛性單元，風輪電機用mass質量點單元代替，螺釘連接采用nodal rigid剛性連接，不考慮鏈接失效。圖4為空調器室內機整機網格模型（帶原緩沖泡沫網格模型）。

3.1.3 材料參數的設定

金屬與塑料材料采用LS-Dyna軟件中24號各項同性彈塑性材料模型；EPS泡沫采用63號可壓碎泡沫材料模型，導入相應密度的泡沫材料的體積應變/應變曲線；在跌落過程中，由于瓦楞紙板相對泡沫來說對產品的保護緩沖較小，對瓦楞紙板結構模型進行簡化處理，不考慮其材料的各項異性屬性，采用3號彈朔性材料模型。空調器室內機主要材料力學參數見表1所示。

3.1.4 邊界條件設定

（1）跌落工況的設定：對模型的底面4個角4個棱，整個模型6個面進行跌落仿真分析，跌落高度標準見表2，原緩沖泡沫結構包裝方案730mm跌落，各跌落工況未產品出現開裂現象，現應公司品質要求，優化后的緩沖泡沫結構方案對產品的保護性要求不比原方案差：即在730mm跌落高度14個跌落工況產品不能出現開裂現象, 新緩沖泡沫結構在1200mm極限跌落高度14個跌落工況，產品跌落后的狀態不比原方案差。跌落分析模擬極限跌落高度為1200mm。

圖11 右側跌落原右泡沫壓縮形變云圖

圖13 前側跌落左右泡沫壓縮形變云圖

圖12 右側跌落原右泡沫應力云圖

圖14 后側跌落左右泡沫壓縮形變云圖

（2）跌落過程產品與底面接觸速度設定：產品實際跌落過程是從跌落臺自由落體，以1200mm為跌落高度。在仿真邊界條件設定過程中，由于產品自由落體的過程中只受到自身重力與空氣的摩擦阻力，自由落體階段產品不會發生變形，仿真分析只用模擬產品與剛性地面碰撞以及回彈過程。產品自由落體過程中空氣摩擦阻力相對重力而言可以忽略不計，產品碰撞地面的初速度V0。由能量守恒定律重力勢能轉化為動能，如公

其中：m為空調器室內機毛重，g為重力加速度，H為跌落高度，可計算V0=4852mm/s。

（3）重力加速度設定g取值為9810mm/s2。

（4）接觸設置：由于室內機產品零件過多，設置接觸對較費時，本分析采用全局接觸設置。

3.2 仿真分析運算與泡沫優化

3.2.1 原泡沫方案跌落仿真分析結果

由圖5可知在底面跌落過程中，原左泡沫結構方框標記處偷料位形變量較小，主要起緩沖作用部位是左泡沫底部未偷料部位，原中間偷料位形狀為平切口，泡沫用料過多，該處可根據泡沫內側容腔形狀進行重新優化做楔形切口，泡沫最小肉厚20mm保證連接屬性。由圖6可知在底面跌落過程中，原右泡沫底部橢圓標識部位壓縮量較小，原設計方案依據經驗認為右側機內含風輪電機以及控盒組件，右側重量更為集中，對右泡沫下側進行了加長，增加對產品保護。但經過仿真分析發現原右泡沫下側加長部位壓縮變形量小，未起到較大的緩沖作用，該部位可切除。下側偷料位結構左泡沫保持一致。由圖7與圖8可知在頂面跌落過程中左右泡沫壓縮變形較小，左泡沫標記拐角處圓形偷料孔無變形；右泡沫標記拐角圓形偷料孔輕微變形。說明左右泡沫緩沖厚度可適當減薄處理，中間圓形偷料孔偷料不足，可進一步進行優化。如圖15，根據泡沫內腔形狀，對左右泡沫底部偷料孔根據內腔適當做平切與斜切形式，圓形偷料孔改為三角形偷料孔，對左右泡沫上部與下部進行減薄處理。

圖15 優化后泡沫結構示意圖

圖16 底面跌落原泡沫結構吸能曲線

圖17 底面跌落優化泡沫結構吸能曲線

由圖9和圖10可知，在左側跌落過程中，原左泡沫壓縮形變量較大，左泡沫受到做大應力值下部大于上部；由圖11和圖12可知，在右側跌落過程中，原右泡沫壓縮形變量較大，右泡沫受到最大應力值下部大于上部。左右兩側跌落過程中，左右泡沫壓縮形變量比較大，泡沫該側緩沖厚度保持不變，由于左右泡沫受到最大應力值下部大于上部，這是由于整機總量集中于下側，跌落過程中對泡沫下側沖擊力較大，上側沖擊力較小，因此可對左右泡沫上部后側增加半月形偷料孔如圖15所示。

由圖13可知前側跌落過程中，左右泡沫前側壓縮量較大；由圖14可知后側跌落過程中，左右泡沫局部壓縮變形較大，其他部位壓縮變形量較小。從原泡沫發現前側緩沖厚度小于后側，說明緩沖厚度越厚跌落過程中其發生形變越小，因此重設計左右泡沫方案保留前側緩沖厚度，對后側緩沖厚度進行減薄。

3.2.2 泡沫方案優化

如圖15為根據仿真分析結果優化得到的泡沫結構示意圖，主要優化處有以下幾點：

（1）根據底面跌落分析結果，右泡沫下側伸出部位起到緩沖作用較小，進行切除。

（2）根據頂面與底面分析結果，泡沫上下側尺寸進行減薄，泡沫下側根據內側容腔形狀，最左側做平切偷料孔，中間和右側做斜切偷料孔，上部圓形偷料孔改為三角形偷料孔。

（3）根據左側與右側跌落分析結果，左右泡沫底部進一步做半月形偷料孔。

（4）根據前側與后側跌落分析結果，泡沫前側緩沖厚度不變，后側減薄，前后側整體尺寸減小。

3.3 仿真驗證對比

將優化后的泡沫結構建模替換原泡沫方案，進行相同工況跌落仿真分析，其中部分易損零件最大應力對比分析如表3，由表3分析結果可知，泡沫優化后相較原方案對產品保護性更好。

如圖16所示，在底面跌落過程中，B為原方案左泡沫吸能曲線，其最大吸能值為4.17E+4，A為原方案右泡沫吸能曲線，其最大吸能值為4.16E+4；如圖17所示，在底面跌落過程中，B為優化后方案左泡沫吸能曲線，其最大吸能值為4.34E+4，A為優化后方案右泡沫吸能曲線，其最大吸能值為4.21E+4；比較優化前后左右泡沫最大吸能值，優化后左右泡沫最大吸能值相對原方案均有所提高，優化后的泡沫對跌落過程中產品動能吸收得更多，說明優化后泡沫方案緩沖性大于原方案，優化效果明顯。

4 優化方案實物測試驗證研究

4.1 常規跌落測試

跌落高度為730mm，跌落工況為底面4角4棱6面共14個工況，其中棱角跌落翻轉角度為45°，優化包裝方案進行14個跌落工況測試，產品塑料件無開裂發白現象，鈑金件沒有明顯變形，機器上電運轉正常。

4.2 極限跌落測試

跌落高度為1200mm，跌落工況為底面4角4棱6面共14個工況，其中棱角跌落翻轉角度為45°，原方案與優化方案進行分別進行測試，對比測試結果如圖18所示。其中，原方案左端蓋卡扣斷裂，優化方案未出現斷裂，改善效果明顯；原方案底盤與面框配合卡扣斷裂，優化方案未出現斷裂，改善效果明顯。

表1 空調器室內機主要材料力學參數

表2 空調器室內機跌落標準

表3 部分易損零件最大應力對比分析

圖18 原方案與優化方案1200mm極限跌落結果對比

5 結論

本文利用CAE仿真技術對一款包裝存在過保護的分體室內掛機進行整機仿真建模與運算，分析泡沫在各跌落工況壓縮變形情況，以及產品高失效風險零件與部位，發現泡沫的過保護以及緩沖不合理的結構部位，并有針對性的進行泡沫結構優化與改善，并與原方進行了仿真驗證對比分析以及實物驗證對比分析。通過仿真對比結構與實測對比分析結果發現優化方案對產品的保護效果更佳，產品品質得到改善。其中優化方案相對原方案整體尺寸減少，材料用量下降23.7%，單臺成本下降約1.6元。通過仿真分析不僅可以有效快速找到原包裝設計不合理結構，并針對性提出優化改善方案，提高產品品質，降低成本，并且能為新產品包裝設計提供可靠的理論依據。