基于有限元法對空調面板組件的仿真及其優化

唐榮華 劉豆豆 冷少華 夏培均 李越峰

（四川長虹空調有限公司 綿陽 621000）

前言

隨著空調類產品逐步走向智能化、自動化，其需求的自動或半自動運動部件數量和運動方式隨之增加，且其運動機構復雜性也隨之提升，因空調類相關制品的特殊性，運動機構類中的塑料制件較大概率處于溫度變化較快、溫差變化較大的環境中，其因冷熱交替產生的變形、收縮膨脹，極大的影響了產品或部件的使用可靠性。且過快的溫差變化極易導致制件表面凝水，致使產品使用性下降。因此，合理的設計運動制件的結構及輔助加強件形態、輔助保溫層是提升產品可靠性的基石。

1 結構模型建立

通過結構件結構設計及仿真設計，是塑料件制品的常規設計過程。一般經過以下步驟：三維結構設計?仿真優化?簡易加工制品進行實驗?對比仿真結果與實驗結果，反復上述優化過程，使塑料制件達到設計需求的結構強度。

優先分析的基本概念就是將復雜的物理對象進行離散化 ，在采用基于子域的試函數描述，充分利用計算機的數值處理能力，對任意復雜的問題進行數值求解[1,2]。

具體的設計建模優化過程如圖1所示。

圖1 建模優化過程

本次研究分析以一款可滑動空調面框為例，三維實體模型用于描述一般性的復雜三維空間結構。采用直接生產的節點和單元的方法得到三維模型十分困難，通常通過建立實體模型導入的方法更為方便[1]。使用三維軟件完成面框、EPS保溫層、輔助加強件三維模型建模。三維模型如圖2所示。

圖2 實體三維模型

2 模型網格劃分

將模型導入仿真軟件，對模型進行網格劃分[3]，并針對細微結構位置進行補平和修復，對面框、EPS保溫層、輔助加強件分別進行網格處理，最終劃分模型如圖3～5所示。

圖3 面框網格圖

圖4 EPS泡沫網格圖

圖5 輔助加強件網格圖

3 環境分析

空調運行模式，存在冷熱交替的為制冷模式、制熱模式。針對上述可滑動面框，2種模式溫度跨度或使用環境差異較大，為保證滑動面框在極致環境溫度或極致使用條件下具有較大的可靠性，本次仿真優化分析按照以下條件進行模擬分析：

1）制冷模式下極限溫度仿真，內側環境溫度40 ℃、外側環境溫度10 ℃；

2）制熱模式下極限溫度仿真，內側環境溫度5 ℃、外側環境溫度50 ℃；

以上模式，均可保證空調在超高溫制冷、超低溫制熱情況下，仿真模擬滑動面框瞬間變形尺寸及變形方向、趨勢。

4 邊界條件設置

本文通過專業網格前處理軟件分別對面板、EPS泡沫、輔助加強件三個結構件進行六面體網格劃分，提高求解精度，再通過后處理軟件[3]進行空調制冷、制熱溫度場分析。網格處理完成后，賦予三個零部件各自材料參數，并設置面板組件溫度場邊界條件，通過模擬本滑動面板空調使用環境工況，制冷時，面板組件制冷直吹面溫度10 ℃，其余面設置相應環境溫度40 ℃，制熱時，面板組件直吹面溫度50 ℃，面板組件其余面設置相應環境溫度5 ℃，同時對鈑金與面板連接部位進行共節點，求解相關溫度場及變形場。

5 仿真數據分析

冷熱溫度變化對塑壓件影響較大，尤為外觀件，本文先對原狀態面板組件進行研究，隨后討論優化后的面板組件，原狀態面板組件包括滑動面板，EPS泡沫，對其進行制冷、制熱仿真后，發現變形結果較大，嚴重影響空調整機運行可靠性，制冷時，面板末端變形10.2 mm，且呈內凹狀態，制熱時，面板變形12.44 mm，且呈外翻狀態。通過初步實物制件第一版測試，實驗結果表明仿真結果與其基本一致，圖6為原狀態制冷變形，圖7為原狀態制熱變形圖。

圖6 優化前制冷狀態

圖7 優化前制熱狀態

為解決上述面板組件在制冷、制熱出現的變形問題，引入了輔助加強板加強組件剛度，從而提高面板組件的可靠性，優化后制冷，面板變形為2.42 mm，呈內凹狀態，制熱時，面板變形為3.02 mm，呈外翻狀態，通過實驗對比，與仿真結果一致，圖8為優化后制冷變形，圖9為優化后態制熱變形圖。

圖8 優化后制冷狀態

圖9 優化后制熱狀態

6 優化方式

經過仿真數據分析確認，滑動面框在極限溫差變化情況下，長度方向變形尺寸相對很大，且塑料制件本身受冷熱沖擊下，變形呈現不可抗等現象，結合材料屬性及抗變形強度、運動件質量不可過大等問題，選擇鋁合金件作為輔助加強件，并將鋁合金截面按照“?”進行設計，中間避空減重。且使用EPE保溫泡沫件，防止鋁合金受冷熱快速沖擊，保證鋁合金在滑動面框長時間使用情況下的強度及可恢復性，鋁合金件與滑動面板按照螺釘固定連接，保證其剛性有效傳遞至滑動面板上。

7 試驗驗證

根據仿真數據計算結果，變形及抗變形結果滿足基本要求后，產品按照優化數據建模開發，實物進行常規環境空調極限制冷、極限制熱實體測試，此次測試利用空調測試晗差室，穩定室內、室外工況，模擬產品極限變形情況。具體測試方式如圖10所示。

圖10 與固定位置測試標準

將空調室內機掛置室內工況室，晗差室環境溫度按照仿真分析溫度設置，將室內機整體（包含滑動畫框）靜置于此環境中，使滑動面框溫度與環境溫度升溫至一致，至少1 h靜置后，測量滑動面框與周邊固定件的間隙值；然后開啟空調進行制冷或制熱，并在10 min后時間內開啟滑動面框，測量面板標識固定點位A與周邊固定件的間隙值，如圖11、圖12所示。

圖11 制件測試下邊緣間隙值

圖12 制件測試上邊緣A點間隙值

8 仿真數據與實驗驗證數據對比分析

測試完成后，匯總仿真優化產品與優化后制件滑動面框形同溫度變量測試結果，根據產品運動間隙需求，對比制件上邊緣A點測試數據情況，如表1（制冷模式）、表2（制熱模式）所示。

表1 制冷模式A點間隙差值

表2 制熱模式A點間隙差值

經過以上數據對比分析，優化方案明顯提升了滑動面框整體抗溫度變形強度，同時優化后產品試驗后，放置于室溫條件下，優化后產品可快速恢復至實驗前平直狀態。

9 結論

對于空調內運動部件溫度沖擊變形仿真優化實驗，本文按照初步結構建模設計、仿真優化、配合分析塑料制件本有特性[4]，增加輔助加強件設計，再次仿真分析，實物生產狀態驗證，完成空調產品運動部件的抗溫度沖擊變形量優化，滿足了設計要求。

將塑料制件熱變形、局部保溫、輔助件強度設計結合，運用仿真技術，大大的提升了產品設計實效，為后續設計類似懸空運動部件提供了可靠的方法及思路。