基于跌落仿真的熱水器變形及問題改善

王小龍

（華帝股份有限公司，廣東 中山 528400）

0 引言

隨著市場經濟環境和生活水平的不斷提高，熱水器已經進入千家萬戶。在熱水器的運輸中，沖擊能夠在短時間內使包裝件速度出現突變并將能量進行轉化，同時使包裝內部的熱水器發生短暫而猛烈的沖撞，沖擊與振動成為包裝件運輸損壞的主要原因[1-3]。面對復雜的道路運輸工況，產品在裝卸運輸方面的可靠性面臨著巨大的挑戰。

根據售后數據和試驗反饋，因熱水器裝卸與運輸導致的外殼變形、面底錯位等問題故障率很高。熱水器產品在出廠前需要通過跌落測試等破壞性驗證，以模擬產品在裝卸運輸過程中的跌落情況。

隨著有限元技術的發展，實驗室不再是驗證產品包裝性能的唯一手段[4-6]。本文基于跌落仿真，對某款熱水器在跌落測試時出現的面底錯位現象進行深入研究，通過對仿真結果的分析，找到了面底錯位的主要原因，并通過試驗驗證了改善方案的可行性。

1 原方案跌落測試

對設計好的熱水器包裝系統進行1 角3 棱6 面的測試。該款產品面殼整體的質量為1.64 kg，底殼整體質量為8.05 kg，根據企業內部標準采用760 mm的跌落高度。跌落后發現面殼與底殼發生明顯錯位，測試結果如圖1 所示。

圖1 測試結果

2 熱水器有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立

通過三維軟件建立熱水器的三維模型，其幾何模型如圖2 所示。將文件另存為STP 格式，導入有限元軟件中進行網格劃分[7-8]。

圖2 產品幾何模型

2.2 有限元模型建立

熱水器的主要結構件為燃燒室、換熱器、風機風道組件。其主要部件都是由鈑金件組成，對于內部零件多數采用抽取中面后，使用四邊形網格來劃分。根據鈑金的厚度給予相應的網格厚度值，其中大多數鈑金件的厚度為0.8 mm。對于整機中的塑膠件采用四面體網格劃分，內部的軟管及電子元器件采用相應的質量點進行配重。對結果影響不大的特征進行去除，熱水器整體的網格劃分如圖3 所示。

圖3 熱水器網格模型

對于內部的零件連接，相應的螺釘連接采用剛性單元，焊接連接采用綁定接觸。采用六面體單元建立地面和瓦楞紙，內部泡沫采用四面體網格劃分，接觸采用通用接觸，設置摩擦因數為0.1，對地面節點采用全約束，對其他包裝節點施加向下的初速度。

建立相應的計算分析步，設置為顯示分析，取相應的質量縮放因子為4×10-10，提交計算。

2.3 仿真結果

對整個模型進行6 面12 棱8 角的計算，發現面底錯位最嚴重的工況為第7 條棱的工況。具體的跌落示意圖如圖4 所示。可以看出具體的跌落錯位數值為1.388 mm。

圖4 面底錯位結果

查看掛鉤處的錯位如圖5 所示。掛鉤處的錯位數值為1.693 mm。對計算結果進行初步分析，可以看出熱水器面蓋和底蓋錯位的主要原因是面蓋的鉤子沒有掛住底蓋，相互之間發生了錯位，導致了面蓋和底蓋的錯位。通過對比仿真結果和試驗結果可以看出，有限元模型計算出來的跌落結果基本和試驗一致，可以通過有限元模型的分析來指導實際模型的修改。

圖5 掛鉤錯位結果

2.4 數據匯總

對所有的跌落工況進行匯總分析，6 個面的跌落數據匯總如表1 所示。從表中的結果可以看出，面3、面4、面5 沒有出現錯位，面1、面2、面6出現了面底錯位，其中面6 的錯位位移最大，吊鉤處錯位數值為1.111 mm，面底錯位數值為0.885 mm。

表1 面跌數據匯總表

通過對面1、面2、面6 中的泡沫厚度和面積進行測量，發現面1 的泡沫接觸厚度最大，面6 的接觸面積最大。對面3 和面4 包裝參數進行測量發現，這兩個工況下的泡沫厚度及面積都比較小，初步對比發現熱水器的面蓋和底蓋的錯位與包裝的吸能沒有關系。其中面1 和面2 兩個跌落工況，泡沫的吸能效果已經達到80%以上，還是出現了錯位現象。

12 條棱的跌落數據匯總如表2 所示。棱3 和棱7 出現了面底錯位，其中棱7 錯位位移最大，吊鉤處錯位數值為1.693 mm，面底錯位數值為1.388 mm。

表2 棱跌數據匯總表

通過對楞7 和楞3 的工況初步分析發現，兩種工況下，面蓋和底蓋的錯位在泡沫初始壓縮階段都很小，面蓋和底蓋錯位增加較大主要發生在泡沫壓縮后反彈的階段。特別對楞7 延長跌落時間計算后發現，在泡沫被壓縮后的一段空間，整個包裝因為翻轉，面蓋和底蓋會出現相對的滑動，而掛鉤在整個運動中無法將面蓋和底蓋扣合在一起。隨著時間的延長，面蓋和底蓋的錯位越來越大。通過其他沒有出現面底錯位的工況分析發現，這些工況中面蓋和底蓋沒有明顯的相對運動。

匯總8 個角的跌落數據如表3 所示。角1 和角角5 出現了面底錯位，其中角5 錯位位移最大，吊鉤處錯位數值為0.781 mm，面底處錯位為0.704 mm。從角跌的數據可以看出，面蓋和底蓋的錯位都較小，提取相應的內能曲線后發現，由于角跌落接觸的面積較小，整體包裝的吸能效果明顯小于面跌和楞跌。角1 和角7 也是因為泡沫反彈后，面蓋和底蓋出現相對運動，引起錯位。由于整體吸能少，導致反彈的能量也小，所以導致整個角跌的面底錯位要小。

表3 角跌數據匯總表

通過對數據的初步分析，可以得出以下結論：1）面蓋和底蓋的錯位與泡沫的吸能無關，再增加泡沫的厚度意義不是很大；2）掛鉤處的設計不合理，只能防止面蓋和底蓋一個方向的運動，另一個方向無法限制住，當跌落出現很大的相對錯動時，掛鉤處會最先脫開，從而導致整個面蓋和底蓋發生錯位；3）角跌落錯位的位移很小，可以通過減小泡沫的能量吸收來減少反彈后的能量，從而減少面蓋和底蓋的相對運動，從而解決跌落問題。

3 原因分析

通過數據分析后，只能初步分析出面底錯位的原因，沒有發現跌落中可能出現錯位的深層原因，選取出現面底錯位的重點工況進行詳細分析。

通過對面2 跌落過程的觀察及部件之間相對運動的量化數據分析發現，熱水器在跌落撞擊地面的過程中，因為泡沫的限制，面底并沒有發生錯位。但是在泡沫被壓實后，熱水器和泡沫之間會留出一段空隙。而在這段時間里，一旦熱水器的面底之間有相對運動，面蓋和底蓋就會出現錯位，導致變形的產生。

提取出相應部件的應變云圖，發現掛鉤在跌落中的強度不夠，在初始跌落下，已經出現了明顯變形，鉤子已經出現向外脫開的趨勢。查看圖5 中的鉤子細節圖可以發現，面板掛鉤處的斜坡會在面底發生錯位后，加大錯位的產生。

最后得出結論如下：1）泡沫的結構設計對面蓋和底蓋只能在初始階段限制住相對運動，出現壓縮后，面蓋和底蓋就會出現相對運動；2）面蓋的掛鉤強度設計不夠，在跌落中容易發生變形，導致面蓋和底蓋的脫開；3）掛鉤的斜坡設計會加大面蓋和底蓋的錯位位移。

4 問題改善

通過對問題的仔細分析，可以從以下兩方面對包裝進行結構優化：1）加大面底之間的限制；2）減少泡沫的反彈能量。

對面底之間的限制可以通過以下方法解決：1）面蓋和底蓋在頂部進行螺釘固定；2）增加面蓋和底蓋的摩擦力，可以通過無痕膠帶或者貼上增加阻尼的墊片等方式來解決；3）通過增加熱水器面底限位結構或者修改面蓋掛鉤的結構來解決問題。

對減小泡沫的反彈能量可以通過以下方式解決：1）增加紙箱的厚度。通過將泡沫吸能轉移到紙箱吸能上，從而將降低泡沫吸能，進而達到減小面底錯位的效果。2）更換其他材料。將泡沫從EPS 更換為純紙箱的材質，減少反彈能量。

通過對成本及安裝工藝綜合考慮，在改動成本最小、安裝最方便的前提下，選擇了更改掛鉤的結構設計，從而使問題得到解決。

5 結論

本文通過對熱水器進行跌落仿真，將整個跌落過程可視化后，找到了熱水器跌落面底錯位的具體原因，并通過打樣驗證，證實了方案的可行性。

與跌落試驗相比，仿真方法能將跌落過程完整地復現，通過對仿真數據的量化分析，找到了問題的關鍵點。

在家電行業其他產品的結構設計中，也會遇到類似的問題，本文所述方法可以推廣應用到相關領域，從而縮短研發周期，減少設計成本，使產品更有市場競爭力。