空調室外機易損性表征及包裝件跌落仿真分析

劉冰 陳志周 劉瑋佳 于志彬 孫蘭芳 臧蕊

摘要：在當今嚴酷的物流環境中，空調室外機的易損件極易在運輸搬運過程中受到跌落沖擊而發生破損。本文總結了空調室外機易損件的破損模式，并利用有限元分析軟件對空調室外機包裝件跌落過程進行仿真分析，進而驗證緩沖包裝襯墊是否滿足緩沖要求。

關鍵詞：空調室外機；易損性表征；跌落仿真

中圖分類號：TB48 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2020） 05-0045-03

基金項目：河北省教育廳資助科研項目（QN2017337綠色全紙化家電產品緩沖包裝設計研究）。

Vulnerability Characterization of Air Conditioner Outdoor Unit and Simulation Analysis of Package Dropping

LIU Bing， CHEN Zhi-zhou， LIU Wei-jia， YU Zhi-bin， SUN Lan-fang， ZANG Rui

（Hebei agricultural university， institute of food scienceand technology， Baoding 071000， China）

Abstract： In todays harsh logistics environment， vulnerable parts of outdoor air-conditioner are easy to be damaged by falling impact in the process of transportation. This paper summarizes the damage modes of vulnerable parts of outdoor air-conditioner， and uses the finite element analysis software to simulate the falling process of the air conditioning package， and then verifies whether the cushion packaging liner meets the cushioning requirements.

Keywords： air conditioning outdoor unit； vulnerability characterization； drop simulation

空調等家用電器在運輸和搬運過程中常發生跌落現象，空調室外機的易損件在物流運輸過程中容易受到跌落沖擊而發生損壞。傳統的跌落試驗是驗證產品包裝可靠性和產品抗沖擊強度的直觀手段，但試驗成本高，試驗周期長，屬于破壞性試驗。空調室外機屬于價值比較昂貴的產品，不適合采用傳統的包裝件跌落試驗，而更適合采用仿真分析軟件對其進行對跌落過程進行模擬。因此，本文利用ANSYS研發的ANSYS Workbench軟件對空調室外機包裝件進行有限元建模，并對其跌落過程進行仿真分析，從而考查空調室外機包裝件抗跌落沖擊的性能和包裝件在跌落過程中對產品的保護性。

1 空調室外機易損性及其表征

本文中的包裝對象為空調室外機，室外機主要由機殼和內部構件（冷凝器、壓縮機、風扇電機、室外風扇、控制電路）等組成。經過市場調研分析得知，室外機的殼體在運輸過程中容易受到外界的沖擊或碰撞，從而發生變形、凹陷等現象，空調室外機的易損件是其外殼。空調室外機的易損件——機殼的損壞模式主要為以下幾種：

（1）塑性變形。塑性變形一般是由沖擊過載造成的。在物流運輸過程中，空調室外機很容易發生跌落現象，從而使空調室外機受到較大的沖擊時，當室外機殼體受到的應力超過其極限應力（屈服極限σs）時，室外機的外殼就會發生塑性變形，如凹陷、變形等。

（2）疲勞失效。當空調室外機的殼體在流通過程中在受到長期的交變應力后，其殼體或部分元器件會發生疲勞破壞現象。

（3）表面磨損。表面磨損現象是由于在物流運輸過程中包裝保護性能欠缺，例如內包裝與空調殼體直接接觸，空調外殼表面與內包裝長時間摩擦，從而使空調外殼表面造成磨損。

本文主要以室外機外殼材料的屈服極限σs和沖擊脆值Gc來表征產品的易損性。由于本文中的研究對象——空調室外機屬于價值比較昂貴的產品，不適合對產品進行破壞性試驗，因此根據經驗公式估算法并參考國內外相關標準，確定其脆值為55。

2 包裝件有限元模型的簡化與構建

2.1空調室外機包裝件建模

空調室外機包裝是以蜂窩-瓦楞復合紙板為主要包裝材料設計的全紙化的綠色環保包裝。室外機的緩沖包裝形式為上蓋+護棱+下襯墊。上、下襯墊及四個護棱使室外機的各個部位都處于良好的緩沖保護和固定狀態，使空調室外機精準定位在包裝箱內，從而空調室外機在物流運輸過程中發生損壞的可能性大大降低。在三維軟件中構建的室外機包裝件三維實體模型如圖1所示。

2.2 空調室外機包裝件模型的簡化

為了盡可能降低有限元模型分析的時間，在建立空調室外機包裝件三維實體模型時，在保留產品關鍵特征的同時，應盡量簡化模型不必要的特征。室外機包裝件的三維實體模型的簡化過程如下：

（1）鑒于空調室外機的外殼在運輸過程中極易損壞，屬于產品的易損件。壓縮機和冷凝器質量較大，且質量分布不均勻，是室外機的主要內部構件，為了縮短有限元計算時間，室外機的三維實體模型被簡化為帶有內部相應質量壓縮機和冷凝器的規則立方體殼體，在殼體的建模過程中，忽略殼體上的圓角、弧線、凹槽等特征。

（2）鑒于蜂窩紙板和瓦楞紙板的芯層結構比較復雜，在建模時，將其內部芯層結構簡化為各向同性的均質實體，對材料的參數進行等效轉化，從而大大降低建模和求解的時間，提高仿真的效率。

（3）為了盡可能減少計算機有限元分析的時間，且底面跌落在跌落情況中發生概率較大，因此本次跌落仿真時僅考慮底面跌落情況。對于底面跌落情況，室外機包裝襯墊中的底部襯墊是需要重點考察的對象，最終簡化后構建的室外機包裝件的三維實體模型如圖2所示。

2.3空調室外機有限元模型構建

2.3.1模型的導入

在ANSYS Workbench軟件中導入三維建模軟件中繪制好的幾何實體模型，建立空調室外機包裝件初步有限元模型。

2.3.2材料參數設定

緩沖襯墊由瓦楞紙板和蜂窩紙板復合構成，室外機外殼的材料屬于鍍鋅鋼板，通過查閱相關文獻設定相應瓦楞紙板、蜂窩紙板和室外機外殼的等效密度和彈性模量。

2.3.3網格劃分

通過軟件默認的自動劃分法對室外機包裝機有限元模型進行網格劃分。

3 包裝件跌落仿真及分析

室外機的跌落高度設定為40cm，做自由落體運動。地面設置為剛性。考慮到減少計算機有限元分析的時間，一般會為包裝件設定一個初速度，減小包裝件自由下落高度，從而提高計算機計算運行效率。

相關參數確定后，由有限元軟件中的求解模塊進行計算，并通過后處理程序展示計算結果，對不同時刻包裝件的最大加速度和等效應力分布進行可視化處理，并通過比對空調室外機的脆值和極限應力（屈服應力）進而判斷包裝件的抗跌落沖擊的性能。

圖3是室外機在跌落過程中產生的加速度云圖。

通過圖3可知，外殼等薄弱部件在跌落瞬間受到的加速度保持在463.54m/s2以下，即47.3g，小于其脆值50g。

跌落過程中室外機外殼受到的等效應力云圖如圖4所示。

分析圖4可知，空調室外機機殼后板壓縮機側的尖角部位出現了應力集中現象，受到的等效應力210.45MPa小于機殼材料——鍍鋅鋼板的極限應力282Mpa，機殼其他部位的應力值均遠遠小于機殼的極限應力。由此可知，室外機的外殼材料未發生塑性變形，處于安全狀態。

綜上所述，通過對室外機包裝件跌落仿真結果的分析，可得出結論：在跌落過程中，室外機的緩沖包裝方案具有較好的抗跌落沖擊性能，對空調室外機具有較好的緩沖保護性。

4 結論

對空調室外機包裝件的幾何模型進行了合理的簡化，進而建立了空調室外機的包裝件有限元模型。通過ANSYS Workbench的瞬態沖擊模塊對空調室外機進行了跌落仿真模擬，并得到了包裝件在跌落過程中的最大加速度和等效應力云圖，經過分析得出結論：在跌落過程中，室外機的緩沖包裝方案具有較好的抗跌落沖擊性能，對空調室外機具有較好的緩沖保護性。

參考文獻：

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