空氣凈化器包裝跌落易損部件仿真優(yōu)化設計研究

■ 文/珠海格力電器股份有限公司 張瑩

一、研究背景

近年來空氣凈化器產(chǎn)品銷售市場快速發(fā)展，使企業(yè)開始重視空氣凈化器板塊的產(chǎn)品開發(fā)，市場銷售的激烈競爭，要求產(chǎn)品務必縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，運輸包裝設計開發(fā)作為產(chǎn)品開發(fā)中一個重要的板塊，需要在產(chǎn)品開發(fā)前端評估好產(chǎn)品模型的結構抗沖擊強度，減小或消除產(chǎn)品在運輸過程中的破損故障率，使產(chǎn)品完好無損的到客戶手中。

目前運輸包裝行業(yè)普遍以設計經(jīng)驗值作為原型包裝設計依據(jù)，因測試產(chǎn)品的G值需要實際功能樣機，且做多組跌落測試，才可得到準確的G值，如在此階段測得產(chǎn)品脆值再做改善，產(chǎn)品模具改善空間有限，故多以增加緩沖包裝厚度或面積來補足產(chǎn)品結構強度不足，即利用緩沖材料的彈性變形降低外部傳遞到產(chǎn)品的沖擊力，導致包裝成本過高、包裝體積大等，不利于產(chǎn)品成本最優(yōu)。

在物流過程中，包裝產(chǎn)品受到機械沖擊、振動載荷作用，因包裝不善造成產(chǎn)品破損的現(xiàn)象比較嚴重，緩沖、防振不夠是一個重要原因[1]。目前，對于包裝襯墊防沖擊設計的研究主要是通過對產(chǎn)品進行跌落試驗，測得內(nèi)裝產(chǎn)品在跌落沖擊外力作用下的動態(tài)力、加速度、位移等[2]，運用試驗的方法來檢驗緩沖效果。這種方法對產(chǎn)品和包裝都具有很大的破壞性，并且需要多次重復試驗，成本較高[3]；家電行業(yè)使用的緩沖包裝材料普遍為不可降解的EPS，不論從環(huán)保的角度，還是產(chǎn)品整機成本競爭力的角度，不推薦使用過多的包裝材料解決整機破損問題，而是在產(chǎn)品模型階段通過工程經(jīng)驗、力學原理分析、仿真工具預先評估產(chǎn)品結構及原型包裝的合理性，并通過仿真工具結合工程設計理論優(yōu)化改善。

二、研究目的

本文通過以一款全新開發(fā)的空氣凈化器作為研究機型，通過前端的工程經(jīng)驗預審產(chǎn)品結構方案，鎖定強度薄弱部件，通過對薄弱部件的仿真分析，驗證問題點，并使用Optistruct拓撲優(yōu)化功能優(yōu)化產(chǎn)品薄弱件結構強度，使空氣凈化器在特定包裝體積及成本的情況下，通過結構的改進，避免增加包裝成本，提高整機的抗跌落沖擊能力，保證產(chǎn)品的運輸可靠，提高產(chǎn)品的市場銷售競爭力。

三、研究過程

（一）空氣凈化器產(chǎn)品結構組成及裝配情況簡介

空氣凈化器產(chǎn)品結構主要由底座總成、風道組件、前后支撐殼、左右支撐殼、過濾網(wǎng)組件、前后進風面板格柵組件組成，具體裝配順序如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結構概況及裝配順序關系

（二）通過工程樣本對標預審確認一級易損件

1.通過工程經(jīng)驗模型預審，從單個部件的強度、各個連接部件的卡扣螺栓強度、相鄰部件的間隙三個模塊進行產(chǎn)品結構審查，將一級易損件的范圍確認為連接產(chǎn)品重心部件的螺釘柱、具有懸臂特征的結構、面板卡扣部件，一級易損件涉及功能體現(xiàn)、銷售外觀等重要作用，如有異常更改受限制較大，需要精確的參數(shù)指導確保一次性更改到位；其他二級薄弱部件，通常不需要通過仿真分析，即可確認改善方案。

通過分析后，將一級易損件定為產(chǎn)品重心電機風葉組件，其結構為采用螺釘連接的方式固定在一其中一側(cè)風道上，螺釘柱在垂直跌落方向上為懸臂結構，具體可見如圖2所示。

圖2 關鍵薄弱部件結構示意圖

2.各關鍵部件材料參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 關鍵部件的材料參數(shù)

表2 LS-DYNA中涉及使用的材料類型

3.網(wǎng)格劃分及關鍵參數(shù)設置

規(guī)則模型使用六面體單元，其余用四面體單元，關注部位局部細化，保證厚度方向有2-3層基本網(wǎng)格，尺寸全局為3mm，局部關注部位細化尺寸為1mm，節(jié)點數(shù)277萬，單元數(shù)980萬，產(chǎn)品部件接觸設置中除螺栓螺母用綁定，其余用無摩擦接觸，質(zhì)量縮放DT2MS = -1.2E-7，Ratio = 1.2015E-02, 計算時間0.04s，沙漏控制方面,部分單元使用全積分單元。

包裝泡沫在跌落過程中各部分間的實際接觸情況，底部泡沫與產(chǎn)品底部平面的接觸為光滑去摩擦接觸，與包裝泡沫曲面的接觸為摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.2。包裝泡沫與外箱上、下面的接觸為光滑去摩擦接觸，與外箱側(cè)面的接觸為法向不分離接觸。設置全部接觸對的接觸屬性均為非對稱接觸，接觸半徑為0.01 m，接觸算法為罰函數(shù)法，剛度更新均設為每個子步。對地面和產(chǎn)品分別施加遠端位

移載荷，約束地面的6 個方向的自由度均為0，產(chǎn)品豎直方向自由度為無約束，其余5個自由度為0[4]。

根據(jù)實際跌落情況，在仿真模擬狀態(tài)下等效為跌落高度10mm，，設置包裝件整體的初始速度為4.82m/s，方向為豎直向下，對整體施加標準重力加速度。

（三）整機跌落分析

1.因主要的研究部件為裝配電機一側(cè)的風道部件，電機為剛性體在跌落過程中無形變，本文暫不研究裝配在電機上的風葉在跌落過程中的運動軌跡及形變情況，故可將電機與風葉等效為剛性質(zhì)量體；通過對整機模型簡化及特征的前處理，并對處理后的模型網(wǎng)格劃分具體如圖3所示。

圖3 整機包裝仿真分析模型

2.整機跌落關鍵風道部件分析結果，跌落后，風道螺釘柱根部及其背部筋條位置的等效應力為60Mpa，風道部件的材料屈服極限為50Mpa，破損現(xiàn)象為變形后的發(fā)白或是結構開裂現(xiàn)象，設置塑性應變后，應力云圖此處已發(fā)生塑性變形，對于已斷裂破損位置，應力云圖已將此處單元剔除， 故云圖內(nèi)已破損區(qū)域體現(xiàn)為單元缺失，具體情況見圖4所示。

圖4 整機仿真包裝跌落關鍵易損部件應力云圖

3.分析結論，從分析的結果可以確認目前的結構方式無法滿足測試要求，出現(xiàn)螺釘柱根部斷裂的情況，從功能手板樣機的初步摸底測試及首樣驗證的情況，也同步驗證了此工況下的螺釘柱根部確實出現(xiàn)了不同程度的開裂破損，具體見如下圖5所示。

圖5 整機關鍵易損部實際包裝跌落破損位置與仿真結果對比圖

從實際測試結果與仿真結果對比分析后，可確認此設計研究方法有效可行，在三維模型階段即可通過鎖定易損部件，最易破損的測試工況，選定工況后，再針對性的做整機的跌落仿真，可有效的縮短仿真分析的周期，從而以最快的速度分析出易損部件的破損工況及條件，并針對出現(xiàn)的問題，在三維產(chǎn)品階段將產(chǎn)品結構進行全面的改善。

四、關鍵易損部件改善方案設計

（一）使用Optistruct對易損部件進行初步的拓撲優(yōu)化，設置目標為柔度最小；約束設置為體積約束上限為0.2，即占比20%；變量設置為單元密度，通過初步的計算后，拓撲優(yōu)化結構見圖6。

圖6 易損部件拓撲優(yōu)化結構

（二）因目前拓撲優(yōu)化功能還不能分析實際模具生產(chǎn)的可實現(xiàn)性、整機風道結構流體分析等功能，故需要人為的對初步優(yōu)化的結構進行調(diào)整，主要考慮模具生產(chǎn)、結構的穩(wěn)定性、整機風道流體的影響性三方面因素，還需對電機支架結構進行最后的優(yōu)化，最終實際改善方案說明及結構局部細節(jié)示意見圖7。

圖7 實際改善方案說明及結構示意圖

（三）改善方案跌落仿真效果見圖8。

（a）改善方案應力云圖

圖8 改善方案跌落仿真效果

（四）改善方案總結,因斷裂的位置為結構的根部及多處筋條相連接的位置，故在根部增加倒角，將單個筋條加高，以及在多個筋條的連接處在增加45°等腰的三角筋條，通過此改善方案，仿真及實際的跌落測試均未出現(xiàn)問題，證明改善方案確實符合要求。通過此案例，可以說明此模塊的跌落仿真模型、參數(shù)設置及改善方案可用于后續(xù)的包裝仿真跌落測試模塊基礎數(shù)據(jù)應用。

五、結語及展望

運輸包裝設計、沖擊碰撞測試的研究本身為測試型學科，前期因缺少基礎材料參數(shù)、仿真綜合型人才少，物流的發(fā)展緩慢對包裝的要求低等因素，使仿真跌落測試在包裝設計上的應用程度低，如今隨著電商物流爆炸式的提升，給運輸包裝帶來了機遇和挑戰(zhàn)，家電產(chǎn)品激烈的競爭市場，整機包裝成本的降低有利于開發(fā)性價比更高的產(chǎn)品，將目前電商運輸包裝過量的包裝成本，用于提升產(chǎn)品性能、包裝材質(zhì)和方式的體驗感等，更能體現(xiàn)產(chǎn)品核心價值，從而增加產(chǎn)品的綜合競爭力。