基于LS-DYNA的空调连续跌落仿真研究

2020-03-16张鹏娥纪春荣李祖吉刘志刚

力学与实践 2020年1期

张鹏娥赵林纪春荣李祖吉潘锋刘志刚

*(珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519070)†(上海迅仿工程技术有限公司，上海201100)

家电产品在运输过程中，经常出现意外跌落情况，为了保证产品结构在标准跌落工况下的可靠性，在产品出厂前进行跌落试验模拟[1]。其中，对于空调内机，需要进行角、棱、面不同角度的多次跌落试验。跌落试验经常出现结构变形、破坏等问题，出现问题后的整改周期较长，成本较高。为了在产品设计阶段提前预测试验中可能出现的问题，可以借助有限元数值仿真方法，通过仿真预测问题并进行优化，有效降低产品开发风险，缩短新产品开发周期，降低试验成本。参考文献[2-5]将有限元数值仿真方法应用到汽车、航空、交通运输、家电产品等领域的碰撞冲击仿真，为结构设计提供了理论支持。目前的研究只针对单次跌落仿真分析[6-9]，未考虑连续跌落产生的累加损伤对机体结构和泡沫的影响，与试验工况不相符合，造成仿真损伤程度偏轻，特别是泡沫，在多次跌落后，材料性能会偏硬，降低了保护缓冲的作用，所以多次连续跌落需要考虑损伤累加。

本文针对空调内机开展了材料力学性能研究及连续跌落仿真研究，并通过仿真与试验进行对标，标定后的仿真相关参数及仿真模型可为后续产品的跌落仿真提供重要的参考依据，为家电产品结构的可靠性设计提供重要的验证方法。

1 显式动力学方法

空调跌落冲击属于典型的动力学问题，动力学方程如下所示[10]

式中，F(t)为施加的载荷矢量；M，C，K 分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；¨u，˙u，u分别为节点加速度矢量、速度矢量和位移矢量。

LS-DYNA 软件可以计算复杂的非线性动力学问题，包括边界非线性、结构非线性和材料非线性问题，其优势是显式动力学计算，对于高速冲击、爆炸、碰撞等瞬态动力学问题具有较好的适用性[11]。LS-DYNA 求解方式主要是通过中心差分法，如下所述。

图1 所示为典型的单自由度体系，系统的刚度和质量分别为k和m，在质量点施加载荷F。

已知在t时刻的所有物理量，包括加速度at，位移xt等。如不考虑系统的阻尼，基于式(1)t和t+dt时刻的动力学方程如下

通过中心差分法求解t+dt/2时刻的速度结果

从而获得下一时刻的加速度结果

中心差分法条件稳定，跌落仿真采用显式动力学方法具有更好的适用性，同时在计算过程中收敛性也更好。

图1 单自由度受力系统

2 材料试验及材料卡片制定

空调结构主要包括11 个组件：电器盒、蒸发器、底壳泡沫、出风挡板组件、风叶组件、挂板、面板体、上面板、底壳和纸箱、包装泡沫，如图2所示。

对于空调内部刚度较大的结构，在跌落过程中不会出现破坏失效，如电机结构等，可以通过刚体进行建模；对于主要承重及缓冲结构，如底壳和泡沫，则需要通过准确的弹塑性材料模型进行建模。准确的材料模型需要进行材料试验及材料标定。本研究选取了空调中的面板体、底壳电器盒、泡沫等6 种主要结构进行试验力学材料试验并建立仿真材料卡片，如表1所示。

图2 空调整机模型组件

表1 空调材料试验和本构模型

表1 中，塑料、金属材料以拉伸变形为主，其拉伸和压缩性能基本一致，通过拉伸试验获得材料的应力-应变曲线；泡沫材料以压缩变形为主，通过压缩试验获得材料的压缩体积应力-应变曲线；橡胶材料需要同时考虑拉伸、压缩和剪切，通过单轴拉伸和平面拉伸获得对应单轴和多轴的应力-应变曲线；同时，对主要材料还需考虑其应变率效应[12]。为保证材料一致性，以上每项试验需要进行3 次以上的重复性试验。根据材料属性，在LS-DYNA 材料库中选取合适的材料本构进行模拟[13]，塑料和金属采用*MAT_024 材料模拟，橡胶和泡沫分别采用*MAT_077 和*MAT_083 材料。详细的材料试验及仿真标定如下文所述。

图3 样件试验前后状态

为了保证材料的准确性，试样直接从零件结构上切割，然后进行相应的材料试验，不同材料试验前后状态如图3所示。

金属和塑料试验数据为力-位移，需将力-位移曲线转化成工程应力-应变曲线，然后将工程应力-应变曲线转化成真实应力-应变曲线，并对曲线外推至塑性应变值2 左右，本文基于Swift 硬化准则[14]。

式中，εp为塑性应变，ε0为颈缩点塑性应变，K和n为硬化参数。采用Swift 准则外推的硬化曲线一般刚度会偏大[15]，可采用tanh函数进行修正

式中，εp为真实塑性应变，k为修正参数。

通过以上方法得出材料的应力-应变曲线，输入到LS-DYNA材料卡片，并通过仿真的力- 位移曲线与试验的力-位移曲线进行对标，验证及修正材料准确性。图4 所示为不同材料在准静态和不同应变率的拉伸、压缩工况下的力-位移曲线。

图4 不同材料试验和有限元力-位移曲线

从以上仿真结果和试验结果可以看出力-位移曲线拟合度较好，表明以上试验方法是合理的。

3 跌落试验及仿真对标

3.1 空调跌落试验

对空调进行连续跌落试验，试验顺序为：角跌、棱跌、面跌，如图5所示。

跌落试验中，通过加速度传感器测试不同时刻的加速度值。为了避免局部模态导致的振动影响，选取刚度较大的位置粘贴传感器，测试位置如图6 所示，其中两个传感器位置在空调底壳上，另外两个传感器位置在面板体上。

3.2 空调跌落仿真

对空调进行有限元建模仿真，钣金结构、塑料结构采用壳单元划分，泡沫和橡胶结构采用实体单元划分。其中壳单元数量为50 万，实体单元数量为130 万。

图5 空调三种不同跌落状态

图6 跌落加速度传感器位置

连续跌落工况是将上一步的变形、应力及应变映射到下一步的分析结果中，在LS-DYNA 中可以通过重启动方式和DYNAIN 文件方式传递上一步分析的结果。考虑到连续跌落分析需要调整在每一步分析调整结构的角度和位置，采用DYNAIN 方式更加便捷。连续跌落通过DYNAIN 文件将结构的变形、应力及应变传递给下一步的分析，在下一步分析中根据试验跌落姿势调整边界条件。

通过以上跌落试验和仿真，泡沫和面板出现了局部破坏，仿真和试验的破坏位置基本一致，如下图7所示。

在角棱面跌落工况下，试验与仿真的4 处传感器位置的加速度时程结果对比，如图8所示。