基于跌落仿真研究油煙機(jī)運(yùn)輸易損件的可靠性

文/珠海格力電器股份有限公司 張瑩

一、現(xiàn)狀調(diào)查

產(chǎn)品運(yùn)輸過(guò)程中，沖擊碰撞是引起產(chǎn)品破損及包裝失效的主要因素，產(chǎn)品包裝件在裝卸、搬運(yùn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)都可能因?yàn)闆_擊作用而發(fā)生破損失效。包裝件在跌落沖擊載荷動(dòng)力下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題是設(shè)計(jì)運(yùn)輸包裝最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一。

產(chǎn)品在運(yùn)輸裝卸過(guò)程中，受到的沖擊和碰撞，這些都會(huì)使產(chǎn)品受到較大的沖擊加速度，有時(shí)甚至高達(dá)數(shù)百個(gè)重力加速度，主要有如下幾種：

1.人工搬運(yùn)時(shí)，產(chǎn)品意外跌落、堆碼時(shí)的拋丟引起的沖擊和碰撞；

2.吊車起吊產(chǎn)品從空中意外跌落或橫向與其他產(chǎn)品的沖擊與碰撞；

3.叉車的粗野作業(yè)引起的產(chǎn)品的沖擊；

4.產(chǎn)品多次翻滾時(shí)與地面或其他物體的碰撞等。

沖擊和碰撞都為外部的能量激勵(lì)，使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化，外部的能量激勵(lì)可以是力、位移、速度或加速度的形式。一般情況下，沖擊作用的時(shí)間為0～16 ms之間，如產(chǎn)品在沖擊過(guò)程中發(fā)生失效為一瞬間，破損狀態(tài)過(guò)程失效現(xiàn)象無(wú)法直觀看到，行業(yè)內(nèi)也有使用高速攝像儀觀察測(cè)試，但一般情況攝像儀僅能觀察到單體部件自由跌落時(shí)的狀態(tài)，而家電產(chǎn)品易損部件通常在產(chǎn)品內(nèi)部，包裝跌落時(shí)，包裝箱及整機(jī)無(wú)法透視，故無(wú)法直接觀察部件破壞的過(guò)程。

在油煙機(jī)跌落測(cè)試中，其內(nèi)部電機(jī)系統(tǒng)（蝸殼-電機(jī)支架-電機(jī)-風(fēng)輪）出現(xiàn)蝸殼承力面變形，電機(jī)支架變形，導(dǎo)致風(fēng)輪偏位的異常問(wèn)題，因電機(jī)系統(tǒng)為塔型煙機(jī)內(nèi)部核心的功能部件，此異常直接導(dǎo)致整機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)噪音偏大，以及由于風(fēng)輪偏位后續(xù)消費(fèi)者無(wú)法取出維修及清洗的問(wèn)題。

因跌落各部件的材料、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)計(jì)算及簡(jiǎn)單的受力分析得到精確解，外部的高速攝像設(shè)備暫無(wú)法識(shí)別損壞模式，故使用跌落仿真技術(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，達(dá)到不增加整機(jī)結(jié)構(gòu)及包裝成本的前提下，減少因確認(rèn)方案打樣手板的次數(shù)、確認(rèn)方案可靠性的產(chǎn)品物理跌落匹配次數(shù)，解決電機(jī)支架及蝸殼跌落后變形的問(wèn)題。

二、問(wèn)題解決過(guò)程

為了滿足產(chǎn)品運(yùn)輸安全要求，同時(shí)滿足整機(jī)結(jié)構(gòu)及包裝成本、標(biāo)準(zhǔn)不做變動(dòng)的前提下，進(jìn)行包裝跌落可靠性研究。

（一）物理測(cè)試問(wèn)題復(fù)現(xiàn)

物理測(cè)試復(fù)現(xiàn)：從人、機(jī)、料、法、環(huán)逐項(xiàng)檢查包裝測(cè)試樣本，3組測(cè)試樣本之間并無(wú)太大差異，確認(rèn)測(cè)試結(jié)果狀態(tài)的一致性后，異常問(wèn)題復(fù)現(xiàn)率100%。具體的作業(yè)方式如表1所列示。

表1 人機(jī)料法環(huán)測(cè)作業(yè)方式表

鎖定問(wèn)題出現(xiàn)3個(gè)主要相關(guān)因素如下表2所示。

表2 關(guān)鍵易損件破損因素關(guān)系表

（二）仿真測(cè)試問(wèn)題復(fù)現(xiàn)

根據(jù)整體情況在軟件中中進(jìn)行仿真測(cè)試問(wèn)題再現(xiàn)，具體情況如表3所示。

表3 油煙機(jī)易損件跌落仿真情況

通過(guò)建立仿真模型準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)問(wèn)題，模型總能、動(dòng)能、勢(shì)能符合能量守恒定律，模型整體無(wú)穿透等異常現(xiàn)象，評(píng)估該仿真模型可用于后續(xù)的方案優(yōu)化，指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)。

確認(rèn)支架與蝸殼受到電機(jī)的慣性拉力后，已遠(yuǎn)超過(guò)該材料的屈服強(qiáng)度極限235 MPa；其中支架為470 MPa，蝸殼為410 MPa，與實(shí)際測(cè)試情況匹配。

綜上，風(fēng)輪偏位主要因?yàn)轱L(fēng)輪裝配在電機(jī)軸上，利用焊接在蝸殼面上的電機(jī)支架進(jìn)行連接固定，跌落過(guò)程中勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的外部激勵(lì)，產(chǎn)品內(nèi)部件產(chǎn)生的瞬時(shí)慣性力，超出風(fēng)輪與電機(jī)連接件的材料屈服強(qiáng)度，繼而連接件（蝸殼、電機(jī)支架）變形后使得風(fēng)輪偏位。

（三）方案優(yōu)化過(guò)程

針對(duì)此類性質(zhì)的易損問(wèn)題，首先需要解決蝸殼與電機(jī)支架變形問(wèn)題，通常方法需要增加薄板料厚，針對(duì)薄板增加凹凸筋條提高構(gòu)件的剛度，從這兩個(gè)方向本課題共迭代設(shè)計(jì)了方案進(jìn)行仿真測(cè)試，并對(duì)仿真結(jié)果的等效應(yīng)力、應(yīng)變兩個(gè)方面評(píng)估方案的可行性。

通過(guò)第一階段的優(yōu)化工作，鎖定支架與蝸殼應(yīng)力最小的為方案，其支架的最大應(yīng)力為400 MPa，蝸殼的最大的應(yīng)力為270 MPa, 支架頂部拐角區(qū)域形變較大，蝸殼輕微變形，需要改善支架頂部拐角位置強(qiáng)度，中部增加凸筋,以及改善其拐角的角度，此方案整體應(yīng)變對(duì)比其他方案小，可選擇繼續(xù)優(yōu)化此方案至滿足要求。如圖1及圖2所示分別為電機(jī)支架應(yīng)力分析圖以及風(fēng)道蝸殼應(yīng)力分析圖。

圖1 電機(jī)支架應(yīng)力分析圖

圖2 風(fēng)道蝸殼應(yīng)力分析圖

對(duì)于改善方案拐角的應(yīng)力集中的情況，需要針對(duì)此部位進(jìn)行應(yīng)力疏導(dǎo)，將應(yīng)力有效的分散。通過(guò)對(duì)方案進(jìn)行嘗調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)支架強(qiáng)度增加，其受力減弱后，蝸殼的應(yīng)力會(huì)增加，導(dǎo)致蝸殼的變形比原方案還要大，故在方案迭代優(yōu)化的過(guò)程中，需要優(yōu)先滿足整機(jī)的振動(dòng)、噪音、風(fēng)量要求，滿足三個(gè)基本條件的前提下，再兼顧支架的變形和蝸殼的變形，進(jìn)行微調(diào)。

其中蝸殼的厚度為0.95 mm時(shí)有利于滿足振動(dòng)和噪音的要求，支架的寬度調(diào)整到經(jīng)流體仿真測(cè)試風(fēng)量無(wú)變化，能滿足基本要求，故在上一優(yōu)化版本的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行如下調(diào)整：

1.支架拐角型翻邊改為直線條整體翻邊，翻邊高度增高；

2.支架寬度加寬，加寬限制條件為確認(rèn)流體仿真后對(duì)風(fēng)量標(biāo)稱等無(wú)影響；

3.支架中部筋條延長(zhǎng)及拓寬，支架焊接長(zhǎng)度延長(zhǎng)，模具確認(rèn)焊點(diǎn)位置可調(diào)整；

4.支架旋轉(zhuǎn)45°，將受力區(qū)域調(diào)制至蝸殼強(qiáng)度較強(qiáng)不易變形的的位置；

5.在不影響整機(jī)性能前提下，將蝸殼背板的直徑適當(dāng)?shù)脑黾樱?/p>

據(jù)圖如圖3所示為第一次優(yōu)化方案的示意圖，圖4為最終版本的優(yōu)化方案示意圖。

圖3 第一版優(yōu)化方案示意圖

圖4 最終版本優(yōu)化方案示意圖

疊加以上改善點(diǎn)后，有效將前期支架主要受力方向400 MPa的等效應(yīng)力降低到286，蝸殼等效應(yīng)力降低到300 MPa；

在支架旋轉(zhuǎn)0°/20°/45°之間，45°方案蝸殼整體形變較小，且與其他方案支架應(yīng)力區(qū)間差值小，以及計(jì)算到最后穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，風(fēng)葉的狀態(tài)0°/20°方案目測(cè)比45°方案傾斜，說(shuō)明變形對(duì)比45°方案大，因原0°方案驗(yàn)證風(fēng)量、噪音、振動(dòng)均滿足要求，45°方案因未進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，為避免因支架轉(zhuǎn)動(dòng)45°焊接后，其振動(dòng)源可能會(huì)與蝸殼共振，故將0°與45°同時(shí)裝配實(shí)物確認(rèn)兩個(gè)方案的可行性。具體情況如表4所示。

表4 優(yōu)化過(guò)程數(shù)據(jù)圖表

從跌落動(dòng)態(tài)過(guò)程及最終穩(wěn)定后的形變顯示，支架對(duì)比原支架角度旋轉(zhuǎn)45°，風(fēng)輪的及支架偏離原裝配位置的位移最小，這說(shuō)明其支架變形幅度最小。經(jīng)評(píng)估，按此方案可以進(jìn)行模具開制驗(yàn)證。

（四）物理機(jī)驗(yàn)證效果

1.整機(jī)性能

風(fēng)量、噪音支架旋轉(zhuǎn)45°方案比旋轉(zhuǎn)0°略優(yōu)，風(fēng)量約大0.43；噪音、振動(dòng)無(wú)差別。

2.跌落結(jié)果

選取支架旋轉(zhuǎn)45°方案，按線上網(wǎng)購(gòu)跌落標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，跌落后蝸殼與電機(jī)支架滿足質(zhì)量要求，風(fēng)量值略小一點(diǎn)， 噪音、振動(dòng)對(duì)比測(cè)試前無(wú)差別，最終確認(rèn)跌落前后整機(jī)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

三、研究結(jié)論及展望

（一）仿真運(yùn)用提高包裝研發(fā)效率降低研發(fā)成本

通常企業(yè)包裝設(shè)計(jì)需要在產(chǎn)品實(shí)體階段驗(yàn)證方案的可行性，使用仿真及優(yōu)化方法，在產(chǎn)品三維圖紙階段對(duì)包裝方案評(píng)估，提高了初期開發(fā)包裝方案的成功率；

通過(guò)運(yùn)用此方法，物理機(jī)測(cè)試次數(shù)大幅降低，且通過(guò)不同工況的模擬測(cè)試，可在前期將產(chǎn)品在后續(xù)運(yùn)輸中，可能存在的問(wèn)題在前端充分暴露出來(lái)，并在產(chǎn)品圖紙階段改善，極大程度的降低了后續(xù)批量出貨后貨損的可能性。

跌落仿真識(shí)別產(chǎn)品在瞬間跌落中各個(gè)時(shí)刻的結(jié)構(gòu)形態(tài)、應(yīng)力能量的變化，有利于提前充分的識(shí)別產(chǎn)品易損件，并在產(chǎn)品三維階段將問(wèn)題解決并優(yōu)化；在利用變形狀態(tài)時(shí)的分析，明確結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，以定量的方法進(jìn)行評(píng)估設(shè)計(jì)易損件，無(wú)需逐一手板打樣驗(yàn)證，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)研究周期，降低實(shí)驗(yàn)資源需求。

使用此方法，可將包裝設(shè)計(jì)的裕度控制在合理范圍內(nèi)，使新品開發(fā)的成本更具競(jìng)爭(zhēng)力。在產(chǎn)品三維階段，通過(guò)不同工況虛擬跌落測(cè)試，可將后續(xù)可能會(huì)出現(xiàn)的運(yùn)輸問(wèn)題識(shí)別出來(lái)，在此階段，包裝設(shè)計(jì)評(píng)估解決，利于縮短包裝開發(fā)周期，減少因測(cè)試工況不全導(dǎo)致的跌落不一致性。

（二）仿真運(yùn)用涉及到多因素調(diào)控，參數(shù)難以完全一致

整機(jī)產(chǎn)品材料種類繁多，動(dòng)力沖擊對(duì)于材料的彈性及塑性階-段分區(qū)敏感，而外部的材料應(yīng)力應(yīng)變屈服強(qiáng)度等相關(guān)的測(cè)試參數(shù)，均為原材樣條件的標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)試得出，與我司實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的材料由差異，特別當(dāng)原材料中增加了玻纖、阻燃劑等影響材料彈塑性等性能，導(dǎo)致仿真無(wú)法復(fù)現(xiàn)問(wèn)題或破損位置及程度與物理機(jī)測(cè)試狀況不一致，此方面的影響則涉及到失效模型的選擇性問(wèn)題。

在此項(xiàng)目的優(yōu)化過(guò)程中，因涉及多因素調(diào)控，未使用自動(dòng)化仿真優(yōu)化軟件，一是對(duì)于多因素如何自動(dòng)化仿真優(yōu)化方面能力還有待提升，二為自動(dòng)化優(yōu)所優(yōu)化出的方案，對(duì)于產(chǎn)品模具成型方面并未做過(guò)多考慮，故多數(shù)優(yōu)化的方案僅可作為參考設(shè)計(jì)，還需設(shè)計(jì)人員進(jìn)行實(shí)際調(diào)整才可應(yīng)用。