基于跌落仿真研究油煙機運輸易損件的可靠性

文/珠海格力電器股份有限公司 張瑩

一、現(xiàn)狀調(diào)查

產(chǎn)品運輸過程中，沖擊碰撞是引起產(chǎn)品破損及包裝失效的主要因素，產(chǎn)品包裝件在裝卸、搬運、運輸、存儲、銷售等各個環(huán)節(jié)都可能因為沖擊作用而發(fā)生破損失效。包裝件在跌落沖擊載荷動力下的動力學響應問題是設計運輸包裝最為關鍵的問題之一。

產(chǎn)品在運輸裝卸過程中，受到的沖擊和碰撞，這些都會使產(chǎn)品受到較大的沖擊加速度，有時甚至高達數(shù)百個重力加速度，主要有如下幾種：

1.人工搬運時，產(chǎn)品意外跌落、堆碼時的拋丟引起的沖擊和碰撞；

2.吊車起吊產(chǎn)品從空中意外跌落或橫向與其他產(chǎn)品的沖擊與碰撞；

3.叉車的粗野作業(yè)引起的產(chǎn)品的沖擊；

4.產(chǎn)品多次翻滾時與地面或其他物體的碰撞等。

沖擊和碰撞都為外部的能量激勵，使系統(tǒng)的運動狀態(tài)發(fā)生了變化，外部的能量激勵可以是力、位移、速度或加速度的形式。一般情況下，沖擊作用的時間為0～16 ms之間，如產(chǎn)品在沖擊過程中發(fā)生失效為一瞬間，破損狀態(tài)過程失效現(xiàn)象無法直觀看到，行業(yè)內(nèi)也有使用高速攝像儀觀察測試，但一般情況攝像儀僅能觀察到單體部件自由跌落時的狀態(tài)，而家電產(chǎn)品易損部件通常在產(chǎn)品內(nèi)部，包裝跌落時，包裝箱及整機無法透視，故無法直接觀察部件破壞的過程。

在油煙機跌落測試中，其內(nèi)部電機系統(tǒng)（蝸殼-電機支架-電機-風輪）出現(xiàn)蝸殼承力面變形，電機支架變形，導致風輪偏位的異常問題，因電機系統(tǒng)為塔型煙機內(nèi)部核心的功能部件，此異常直接導致整機在運行過程中振動噪音偏大，以及由于風輪偏位后續(xù)消費者無法取出維修及清洗的問題。

因跌落各部件的材料、結構受力復雜，無法通過計算及簡單的受力分析得到精確解，外部的高速攝像設備暫無法識別損壞模式，故使用跌落仿真技術及結構優(yōu)化技術，達到不增加整機結構及包裝成本的前提下，減少因確認方案打樣手板的次數(shù)、確認方案可靠性的產(chǎn)品物理跌落匹配次數(shù)，解決電機支架及蝸殼跌落后變形的問題。

二、問題解決過程

為了滿足產(chǎn)品運輸安全要求，同時滿足整機結構及包裝成本、標準不做變動的前提下，進行包裝跌落可靠性研究。

（一）物理測試問題復現(xiàn)

物理測試復現(xiàn)：從人、機、料、法、環(huán)逐項檢查包裝測試樣本，3組測試樣本之間并無太大差異，確認測試結果狀態(tài)的一致性后，異常問題復現(xiàn)率100%。具體的作業(yè)方式如表1所列示。

表1 人機料法環(huán)測作業(yè)方式表

鎖定問題出現(xiàn)3個主要相關因素如下表2所示。

表2 關鍵易損件破損因素關系表

（二）仿真測試問題復現(xiàn)

根據(jù)整體情況在軟件中中進行仿真測試問題再現(xiàn)，具體情況如表3所示。

表3 油煙機易損件跌落仿真情況

通過建立仿真模型準確復現(xiàn)問題，模型總能、動能、勢能符合能量守恒定律，模型整體無穿透等異?，F(xiàn)象，評估該仿真模型可用于后續(xù)的方案優(yōu)化，指導方案設計。

確認支架與蝸殼受到電機的慣性拉力后，已遠超過該材料的屈服強度極限235 MPa；其中支架為470 MPa，蝸殼為410 MPa，與實際測試情況匹配。

綜上，風輪偏位主要因為風輪裝配在電機軸上，利用焊接在蝸殼面上的電機支架進行連接固定，跌落過程中勢能轉換為動能的外部激勵，產(chǎn)品內(nèi)部件產(chǎn)生的瞬時慣性力，超出風輪與電機連接件的材料屈服強度，繼而連接件（蝸殼、電機支架）變形后使得風輪偏位。

（三）方案優(yōu)化過程

針對此類性質(zhì)的易損問題，首先需要解決蝸殼與電機支架變形問題，通常方法需要增加薄板料厚，針對薄板增加凹凸筋條提高構件的剛度，從這兩個方向本課題共迭代設計了方案進行仿真測試，并對仿真結果的等效應力、應變兩個方面評估方案的可行性。

通過第一階段的優(yōu)化工作，鎖定支架與蝸殼應力最小的為方案，其支架的最大應力為400 MPa，蝸殼的最大的應力為270 MPa, 支架頂部拐角區(qū)域形變較大，蝸殼輕微變形，需要改善支架頂部拐角位置強度，中部增加凸筋,以及改善其拐角的角度，此方案整體應變對比其他方案小，可選擇繼續(xù)優(yōu)化此方案至滿足要求。如圖1及圖2所示分別為電機支架應力分析圖以及風道蝸殼應力分析圖。

圖1 電機支架應力分析圖

圖2 風道蝸殼應力分析圖

對于改善方案拐角的應力集中的情況，需要針對此部位進行應力疏導，將應力有效的分散。通過對方案進行嘗調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當支架強度增加，其受力減弱后，蝸殼的應力會增加，導致蝸殼的變形比原方案還要大，故在方案迭代優(yōu)化的過程中，需要優(yōu)先滿足整機的振動、噪音、風量要求，滿足三個基本條件的前提下，再兼顧支架的變形和蝸殼的變形，進行微調(diào)。

其中蝸殼的厚度為0.95 mm時有利于滿足振動和噪音的要求，支架的寬度調(diào)整到經(jīng)流體仿真測試風量無變化，能滿足基本要求，故在上一優(yōu)化版本的基礎上，再進行如下調(diào)整：

1.支架拐角型翻邊改為直線條整體翻邊，翻邊高度增高；

2.支架寬度加寬，加寬限制條件為確認流體仿真后對風量標稱等無影響；

3.支架中部筋條延長及拓寬，支架焊接長度延長，模具確認焊點位置可調(diào)整；

4.支架旋轉45°，將受力區(qū)域調(diào)制至蝸殼強度較強不易變形的的位置；

5.在不影響整機性能前提下，將蝸殼背板的直徑適當?shù)脑黾樱?/p>

據(jù)圖如圖3所示為第一次優(yōu)化方案的示意圖，圖4為最終版本的優(yōu)化方案示意圖。

圖3 第一版優(yōu)化方案示意圖

圖4 最終版本優(yōu)化方案示意圖

疊加以上改善點后，有效將前期支架主要受力方向400 MPa的等效應力降低到286，蝸殼等效應力降低到300 MPa；

在支架旋轉0°/20°/45°之間，45°方案蝸殼整體形變較小，且與其他方案支架應力區(qū)間差值小，以及計算到最后穩(wěn)定狀態(tài)時，風葉的狀態(tài)0°/20°方案目測比45°方案傾斜，說明變形對比45°方案大，因原0°方案驗證風量、噪音、振動均滿足要求，45°方案因未進行實測驗證，為避免因支架轉動45°焊接后，其振動源可能會與蝸殼共振，故將0°與45°同時裝配實物確認兩個方案的可行性。具體情況如表4所示。

表4 優(yōu)化過程數(shù)據(jù)圖表

從跌落動態(tài)過程及最終穩(wěn)定后的形變顯示，支架對比原支架角度旋轉45°，風輪的及支架偏離原裝配位置的位移最小，這說明其支架變形幅度最小。經(jīng)評估，按此方案可以進行模具開制驗證。

（四）物理機驗證效果

1.整機性能

風量、噪音支架旋轉45°方案比旋轉0°略優(yōu)，風量約大0.43；噪音、振動無差別。

2.跌落結果

選取支架旋轉45°方案，按線上網(wǎng)購跌落標準進行測試驗證，跌落后蝸殼與電機支架滿足質(zhì)量要求，風量值略小一點， 噪音、振動對比測試前無差別，最終確認跌落前后整機性能均符合標準要求。

三、研究結論及展望

（一）仿真運用提高包裝研發(fā)效率降低研發(fā)成本

通常企業(yè)包裝設計需要在產(chǎn)品實體階段驗證方案的可行性，使用仿真及優(yōu)化方法，在產(chǎn)品三維圖紙階段對包裝方案評估，提高了初期開發(fā)包裝方案的成功率；

通過運用此方法，物理機測試次數(shù)大幅降低，且通過不同工況的模擬測試，可在前期將產(chǎn)品在后續(xù)運輸中，可能存在的問題在前端充分暴露出來，并在產(chǎn)品圖紙階段改善，極大程度的降低了后續(xù)批量出貨后貨損的可能性。

跌落仿真識別產(chǎn)品在瞬間跌落中各個時刻的結構形態(tài)、應力能量的變化，有利于提前充分的識別產(chǎn)品易損件，并在產(chǎn)品三維階段將問題解決并優(yōu)化；在利用變形狀態(tài)時的分析，明確結構強度的設計要求，以定量的方法進行評估設計易損件，無需逐一手板打樣驗證，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)研究周期，降低實驗資源需求。

使用此方法，可將包裝設計的裕度控制在合理范圍內(nèi)，使新品開發(fā)的成本更具競爭力。在產(chǎn)品三維階段，通過不同工況虛擬跌落測試，可將后續(xù)可能會出現(xiàn)的運輸問題識別出來，在此階段，包裝設計評估解決，利于縮短包裝開發(fā)周期，減少因測試工況不全導致的跌落不一致性。

（二）仿真運用涉及到多因素調(diào)控，參數(shù)難以完全一致

整機產(chǎn)品材料種類繁多，動力沖擊對于材料的彈性及塑性階-段分區(qū)敏感，而外部的材料應力應變屈服強度等相關的測試參數(shù)，均為原材樣條件的標準試樣測試得出，與我司實際生產(chǎn)出來的材料由差異，特別當原材料中增加了玻纖、阻燃劑等影響材料彈塑性等性能，導致仿真無法復現(xiàn)問題或破損位置及程度與物理機測試狀況不一致，此方面的影響則涉及到失效模型的選擇性問題。

在此項目的優(yōu)化過程中，因涉及多因素調(diào)控，未使用自動化仿真優(yōu)化軟件，一是對于多因素如何自動化仿真優(yōu)化方面能力還有待提升，二為自動化優(yōu)所優(yōu)化出的方案，對于產(chǎn)品模具成型方面并未做過多考慮，故多數(shù)優(yōu)化的方案僅可作為參考設計，還需設計人員進行實際調(diào)整才可應用。