基于ANSYS Workbench的空调室内机包装件跌落仿真分析

刘冰

摘 要

在当今严酷的物流环境中，空调室内机的薄弱件极易在运输搬运过程中受到跌落冲击而发生破损，本文利用ANSYS研发的仿真工具ANSYS Workbench作为仿真平台，对空调室内机包装件进行跌落仿真分析，进而验证缓冲包装衬垫是否满足缓冲要求。

关键词

空调室内机;易损性表征;跌落仿真

中图分类号： TM925.12                  文獻标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.032

空调等家用电器在运输和搬运过程中常发生跌落现象，空调室内机的壳体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。空调室内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软件对空调室内机包装件进行有限元建模，并对其跌落过程进行仿真分析，从而考查空调室内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 空调室内机包装件的有限元建模

1.1 简化空调室内机包装件几何实体模型

空调室内机包装是以蜂窝-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。为了尽可能降低有限元模型分析的时间，在建立空调室内机包装件几何实体模型时，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。室内机包装件的几何实体模型的简化过程如下：

1）室内机的外壳在运输过程中极易损坏，属于产品的易损件。鉴于空调室内机的内部的蒸发器和风扇电机形状较为复杂，本文仅考虑它们的质量。因此，室内机的几何实体模型简化为具有质量块的壳体。

2）为了简化壳体的几何实体模型，在壳体的建模过程中，忽略壳体上的圆角、弧线、凹槽等特征，简化为规则的立方体结构。

3）为了进一步简化几何实体模型，出风口部分的导风板被简化为平板实体。

4）为了缩短有限元求解时间，将包装衬垫的几何实体模型简化为经受底面冲击的受力块。

5）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。

最后，基于以上简化程序，在三维建模软件中为简化后的室内机包装件建立模型，如图1所示。

1.2 建立空调室内机包装件有限元模型

1.2.1 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，建立空调室内机包装件初步有限元模型。

1.2.2 材料参数及接触类型设定

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

为了方便建模，包装件与地面之间的接触方式设为光滑无摩擦，室内机和包装衬垫之间及包装衬垫之间的接触方式被设定为默认的绑定。

1.2.3 网格划分

通过软件默认的自动划分法对室内机包装机有限元模型进行网格划分，网格划分后的室内机包装件有限元模型如图2所示。

2 空调包装件跌落仿真及分析

2.1 室内机包装件跌落仿真

建立空调包装件的有限元模型后，在ANSYS Workbench中的瞬态冲击模块中对包装件进行跌落仿真分析。重力加速度为9.8。考虑到减少计算机有限元分析的时间，跌落时仅考虑底面跌落，即底面与水平面呈平行状态。

室内机的跌落高度设定为50cm，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应力分布进行可视化处理。

2.2 跌落仿真结果分析

包装跌落仿真的目的是为了模拟测试包装对产品的缓冲作用，即观察产品在跌落过程中是否受到损坏。本文中利用冲击脆值Gc和外壳的许用应力[σ]表征空调机易损性，也是检验仿真结果的两个标准。

1）室内机在跌落冲击时产生的最大加速度是否超过产品的冲击脆性Gc值。

2）跌落冲击过程中，作用于室内机最大应力是否超过壳体的许用应力[σ]。

室内机在跌落过程产生的加速度云图如图3所示，由图中的数据可知，室内机的最大冲击加速度为167.79m/s2，即17.1g，小于其冲击脆值40g。

跌落冲击过程中，外壳材料的屈服应力89MPa远远大于室内机外壳上受到的等效应力。由此判断，在跌落过程中，空调室内机的壳体不会发生损坏，即塑性变形或脆性开裂现象。

基于以上两方面综合分析，可得出结论：室内机的缓冲包装衬垫起到了较好的缓冲包装作用，满足了缓冲包装设计的缓冲要求。

3 结论

本文在合理简化空调室内机包装件的几何模型的基础上，建立了空调室内机包装件有限元模型。利用ANSYS Work bench的瞬态冲击模块仿真模拟空调室内机包装件的跌落冲击过程，并通过包装件在跌落过程中的最大加速度和等效应力云图，通过分析得出结论，空调室内机包装件可满足跌落冲击过程中对包装的抗跌落冲击的要求，可有效空调室内机壳体在跌落冲击过程中的缓冲保护性要求。

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