空调室外机易损性表征及包装件跌落仿真分析

刘冰 陈志周 刘玮佳 于志彬 孙兰芳 臧蕊

摘要：在当今严酷的物流环境中，空调室外机的易损件极易在运输搬运过程中受到跌落冲击而发生破损。本文总结了空调室外机易损件的破损模式，并利用有限元分析软件对空调室外机包装件跌落过程进行仿真分析，进而验证缓冲包装衬垫是否满足缓冲要求。

关键词：空调室外机；易损性表征；跌落仿真

中图分类号：TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 （2020） 05-0045-03

基金项目：河北省教育厅资助科研项目（QN2017337绿色全纸化家电产品缓冲包装设计研究）。

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

空調等家用电器在运输和搬运过程中常发生跌落现象，空调室外机的易损件在物流运输过程中容易受到跌落冲击而发生损坏。传统的跌落试验是验证产品包装可靠性和产品抗冲击强度的直观手段，但试验成本高，试验周期长，属于破坏性试验。空调室外机属于价值比较昂贵的产品，不适合采用传统的包装件跌落试验，而更适合采用仿真分析软件对其进行对跌落过程进行模拟。因此，本文利用ANSYS研发的ANSYS Workbench软件对空调室外机包装件进行有限元建模，并对其跌落过程进行仿真分析，从而考查空调室外机包装件抗跌落冲击的性能和包装件在跌落过程中对产品的保护性。

1 空调室外机易损性及其表征

本文中的包装对象为空调室外机，室外机主要由机壳和内部构件（冷凝器、压缩机、风扇电机、室外风扇、控制电路）等组成。经过市场调研分析得知，室外机的壳体在运输过程中容易受到外界的冲击或碰撞，从而发生变形、凹陷等现象，空调室外机的易损件是其外壳。空调室外机的易损件——机壳的损坏模式主要为以下几种：

（1）塑性变形。塑性变形一般是由冲击过载造成的。在物流运输过程中，空调室外机很容易发生跌落现象，从而使空调室外机受到较大的冲击时，当室外机壳体受到的应力超过其极限应力（屈服极限σs）时，室外机的外壳就会发生塑性变形，如凹陷、变形等。

（2）疲劳失效。当空调室外机的壳体在流通过程中在受到长期的交变应力后，其壳体或部分元器件会发生疲劳破坏现象。

（3）表面磨损。表面磨损现象是由于在物流运输过程中包装保护性能欠缺，例如内包装与空调壳体直接接触，空调外壳表面与内包装长时间摩擦，从而使空调外壳表面造成磨损。

本文主要以室外机外壳材料的屈服极限σs和冲击脆值Gc来表征产品的易损性。由于本文中的研究对象——空调室外机属于价值比较昂贵的产品，不适合对产品进行破坏性试验，因此根据经验公式估算法并参考国内外相关标准，确定其脆值为55。

2 包装件有限元模型的简化与构建

2.1空调室外机包装件建模

空调室外机包装是以蜂窝-瓦楞复合纸板为主要包装材料设计的全纸化的绿色环保包装。室外机的缓冲包装形式为上盖+护棱+下衬垫。上、下衬垫及四个护棱使室外机的各个部位都处于良好的缓冲保护和固定状态，使空调室外机精准定位在包装箱内，从而空调室外机在物流运输过程中发生损坏的可能性大大降低。在三维软件中构建的室外机包装件三维实体模型如图1所示。

2.2 空调室外机包装件模型的简化

为了尽可能降低有限元模型分析的时间，在建立空调室外机包装件三维实体模型时，在保留产品关键特征的同时，应尽量简化模型不必要的特征。室外机包装件的三维实体模型的简化过程如下：

（1）鉴于空调室外机的外壳在运输过程中极易损坏，属于产品的易损件。压缩机和冷凝器质量较大，且质量分布不均匀，是室外机的主要内部构件，为了缩短有限元计算时间，室外机的三维实体模型被简化为带有内部相应质量压缩机和冷凝器的规则立方体壳体，在壳体的建模过程中，忽略壳体上的圆角、弧线、凹槽等特征。

（2）鉴于蜂窝纸板和瓦楞纸板的芯层结构比较复杂，在建模时，将其内部芯层结构简化为各向同性的均质实体，对材料的参数进行等效转化，从而大大降低建模和求解的时间，提高仿真的效率。

（3）为了尽可能减少计算机有限元分析的时间，且底面跌落在跌落情况中发生概率较大，因此本次跌落仿真时仅考虑底面跌落情况。对于底面跌落情况，室外机包装衬垫中的底部衬垫是需要重点考察的对象，最终简化后构建的室外机包装件的三维实体模型如图2所示。

2.3空调室外机有限元模型构建

2.3.1模型的导入

在ANSYS Workbench软件中导入三维建模软件中绘制好的几何实体模型，建立空调室外机包装件初步有限元模型。

2.3.2材料参数设定

缓冲衬垫由瓦楞纸板和蜂窝纸板复合构成，室外机外壳的材料属于镀锌钢板，通过查阅相关文献设定相应瓦楞纸板、蜂窝纸板和室外机外壳的等效密度和弹性模量。

2.3.3网格划分

通过软件默认的自动划分法对室外机包装机有限元模型进行网格划分。

3 包装件跌落仿真及分析

室外机的跌落高度设定为40cm，做自由落体运动。地面设置为刚性。考虑到减少计算机有限元分析的时间，一般会为包装件设定一个初速度，减小包装件自由下落高度，从而提高计算机计算运行效率。

相关参数确定后，由有限元软件中的求解模块进行计算，并通过后处理程序展示计算结果，对不同时刻包装件的最大加速度和等效应力分布进行可视化处理，并通过比对空调室外机的脆值和极限应力（屈服应力）进而判断包装件的抗跌落冲击的性能。

图3是室外机在跌落过程中产生的加速度云图。

通过图3可知，外壳等薄弱部件在跌落瞬间受到的加速度保持在463.54m/s2以下，即47.3g，小于其脆值50g。

跌落过程中室外机外壳受到的等效应力云图如图4所示。

分析图4可知，空调室外机机壳后板压缩机侧的尖角部位出现了应力集中现象，受到的等效应力210.45MPa小于机壳材料——镀锌钢板的极限应力282Mpa，机壳其他部位的应力值均远远小于机壳的极限应力。由此可知，室外机的外壳材料未发生塑性变形，处于安全状态。

综上所述，通过对室外机包装件跌落仿真结果的分析，可得出结论：在跌落过程中，室外机的缓冲包装方案具有较好的抗跌落冲击性能，对空调室外机具有较好的缓冲保护性。

4 结论

对空调室外机包装件的几何模型进行了合理的简化，进而建立了空调室外机的包装件有限元模型。通过ANSYS Workbench的瞬態冲击模块对空调室外机进行了跌落仿真模拟，并得到了包装件在跌落过程中的最大加速度和等效应力云图，经过分析得出结论：在跌落过程中，室外机的缓冲包装方案具有较好的抗跌落冲击性能，对空调室外机具有较好的缓冲保护性。

参考文献：

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