空調面板熱變形行為研究及優化

□ 黃愉太 □ 唐清生 □ 唐柱才 □ 吳雪良 □ 詹 興

佛山市云米電器科技有限公司 廣東順德 528308

1 研究及優化背景

結構熱變形影響著各類工業產品,因此熱變形研究對提升產品質量至關重要。李倩龍[1]建立一維圓盤機械零件的熱力學理論模型,并開展數值仿真和試驗研究,為工業設計中的熱變形控制提供技術參考。在汽車領域,陳吉清等[2]針對汽車儀表板,通過仿真方法模擬汽車常溫和高溫環境循環變化時的熱殘余應力,系統研究熱變形問題。謝東升等[3]利用車內余熱回收系統,對渦旋盤的應力變形進行全面分析。另外,對機械零部件的熱變形研究和應用也已經廣受科研人員的關注[4-7]。

眾所周知,熱變形是材料固有特性,只與材料自身、熱處理、加工工藝有關,因此,對材料自身的熱變形進行研究顯得尤為重要。劉子龍[8]對GCr15軸承鋼的熱變形性能進行分析,姚碩等[9]對304不銹鋼的變形機理和材料本構進行研究。在家電領域,冰箱作為控溫產品,其結構熱變形的表現直接影響產品品質,對這方面的研究也尤為重要,如楊詩華等[10]對不同材質薄壁冰箱門體的熱變形進行了細致的研究。

作為家庭環境溫度控制器,空調的熱變形問題是行業內持續研究的重點。傳統形式的空調掛機面板僅作為外觀面,通過卡扣等形式內扣于主框架內,熱變形量極小,對整機運行基本無影響。而作為新形式的全域風空調,面板在體現整體外觀的同時,也作為主要送風部件詮釋高舒適性送風技術,因此熱變形對結構和送風舒適體驗均有重要影響。

筆者以全域風空調面板為載體,首先建立熱變形數值仿真模型,并進行多方案仿真分析,然后基于計算結果進行多因素結構優化,最后對優化模型進行試驗驗證,從而形成面板熱變形問題從方案設計、結構優化到試驗驗證的全流程解決方案。

2 熱變形基本理論

材料由于溫差產生變形,在自由狀態下,熱變形理論計算式為:

ΔL=αLΔT

(1)

式中:ΔL為熱變形量;α為材料熱膨脹系數;L為材料尺寸;ΔT為溫差。

熱傳導公式為:

Q=KAΔT/L

(2)

式中:Q為熱傳導熱量;K為材料熱傳導系數;A為熱量傳導面積。

當材料尺寸一定時,通過控制表面溫差及傳導面積,改變結構熱傳導量,如將不同材料相結合,可有效減小熱變形量。對于空調面板,尺寸已確定,表面受環境和空調換熱氣流的溫差作用,隨著材料內部溫度傳遞達到平衡,熱變形也將趨于平穩。可通過改變材料屬性及材料結構組成進行優化,減小熱變形量。

3 三維數值模型

全域風空調使換熱空氣通過面板進行分流,從而使氣流從面板四周吹出。全域風空調氣流如圖1所示。空調運行時,面板內外側存在明顯溫差。為調節氣流方向,面板需多角度運動。因此,面板的熱變形對氣流和運動控制有重要影響。面板結構主要包括塑料面板和保溫泡沫,如圖2所示。塑料面板背面設有四個掛裝點,與中框運動機構連接,以驅動面板運動。塑料面板與保溫泡沫通過塑料膠粘合。

▲圖1 全域風空調氣流

▲圖2 面板結構▲圖3 面板橫截面▲圖4 方案三▲圖5 方案四

對于家電產品,在設計之初外觀、尺寸已經基本確定。面板橫截面如圖3所示,整體呈現出兩端高中間低,并且左側相對更薄,最薄分界線偏向左側,因此對其熱變形優化方案以不改變既定外觀為原則,考慮中間凹陷位置強度較弱的特點進行設計。面板熱變形優化方案見表1。方案一和方案二采用不同的塑料材質進行對比。方案三塑料面板在滿足模具要求的情況下,背面增加加強筋,以提高塑料件強度,如圖4所示。方案四在塑料件的背面上下端增加兩根鈑金加強條,通過卡扣或螺釘固定,截面呈U形,寬度為12 mm,高度為5 mm,厚度為1 mm,如圖5所示。面板材料性能參數見表2。

表1 面板熱變形優化方案

面板整體使用四面體網格進行劃分,單元尺寸為5 mm,總網格數約13萬,網格節點數為24萬。劃分后的面板網格如圖6所示。采用溫度位移耦合算法,塑料面板與保溫泡沫、鈑金加強條均采用綁定連接,約束四個運動掛裝點的前后方向。考慮嚴酷環境下模擬空調制冷工況,對冷氣流經過面板背面及四周施加制冷溫度8 ℃,對面板正面施加環境溫度40 ℃。

▲圖6 面板網格

4 仿真結果

以方案一對面板熱變形進行基本特征分析,由于面板前后方向變形對整機的影響最大,因此需重點關注。方案一面板位移如圖7所示。面板內側為低溫收縮,外側為高溫膨脹,兩者相互作用,使整體變形呈弧形凹陷狀。面板左側薄于右側,變形量明顯較大,最大值為8.56 mm,位于左側邊緣下角點。面板應力如圖8所示,可發現應力分布集中在四個掛裝點和四周邊緣處,中間區域應力較小,原因為隨著面板變形的增大,掛裝點位移發生變化,但受到空調運動機構的約束,為抵抗這種位移變化而產生力的作用。同樣,面板四周翻邊受到熱脹冷縮的擠壓,產生材料變形應力。應力峰值僅為15 MPa,位于塑料面板掛裝點處,遠低于材料屈服應力。

▲圖7 方案一面板位移▲圖8 方案一面板應力

各方案位移對比圖如圖9所示。可以看出,面板變形形式相似,隨著對塑料面板材質和背面結構進行強化,變形量明顯減小。面板上邊緣均分點d1～d8變形曲線如圖10所示,橫軸是以d1為起點,各點與總長度的比值。由曲線可以看出,距離d1點0.30和0.87位置的面板受邊界約束,熱變形量為0。由于距離約束點較遠,面板左側變形明顯大于右側,中間內凹峰值點也略偏向左側,整體形態與實際相吻合。

▲圖9 各方案位移對比

▲圖10 面板邊緣均分點變形曲線

各方案變形數據見表3。方案二塑料材質由高抗沖聚苯乙烯改為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯,對變形的影響相對較小。當采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材質并在背面設置較密集的加強筋后,變形明顯改善,由原來的8.56 mm減小至5.44 mm,降幅達到36.5%,由此說明面板結構剛度的提高對改善變形優于純材質的改變。當采用熱膨脹系數極低的鈑金加強條對面板進行加強后,變形量減小至4.39 mm,相比方案一改善幅度增大至48.8%,進一步得到優化,可知材料性能差異對改善熱變形效果更優。

表3 各方案變形數據

5 方案迭代優化

5.1 加強條材質

方案四采用鈑金加強條固定于塑料面板背面,可極大改善熱變形,但變形量仍較大,不滿足產品需求,因此需進一步進行優化。

以方案四為對比基準,其它條件保持不變,選取鋁合金和不銹鋼作為加強條材質進行數值仿真分析。不同材質面板邊緣均分點變形曲線如圖11所示,變形數據見表4。可見整體熱變形形態基本不變,由于鋁合金的熱膨脹系數相比其它材質大,因此整體熱變形量更大,增幅達到25.3%。不銹鋼熱膨脹系數與鈑金接近,但彈性模量更高,同截面情況下剛度更大,相對抗變形能力也更強,因此熱變形量最小,降幅為27.3%,優化效果明顯。

▲圖11 不同材質加強條面板邊緣均分點變形曲線

表4 不同材質加強條變形數據

考慮到不銹鋼材料延展性相對較好,可以預測面板熱變形后回彈能力表現也會更好,因此采用不銹鋼加強條為更優選擇。

5.2 加強條截面

針對不銹鋼加強條截面對面板熱變形影響,按單因子變量對不同截面形狀進行優化分析,如圖12所示。各截面整體尺寸均相同,材料厚度均為1 mm。不同加強條截面面板邊緣均分點變形曲線如圖13所示。從圖13中可以看出,截面A和B、截面C和D分別對應相似,說明截面剛度和抗熱變形能力對應接近。不同加強條截面變形數據見表5。相比截面A,截面B的優化效果有限,峰值相差不大。而截面C和D的優化效果明顯,d1點最大值由3.19 mm減小至2.09 mm,降幅達到34.5%,已完全滿足產品使用要求。

▲圖12 加強條截面▲圖13 不同加強條截面面板邊緣均分點變形曲線

表5 不同加強條截面變形數據

6 面板熱變形試驗

綜合數值仿真分析結果,采用不銹鋼作為面板加強條材質,選取熱變形量最小的截面C和D制作加強條試驗樣品。塑料面板材質為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯,并匹配保溫泡沫。命名為樣品1和樣品2,對應截面C和D。面板安裝于空調中,調節實驗室溫度為40 ℃,模擬環境室溫,空調開啟最低制冷模式,實測出口面板區域氣流溫度約10 ℃。采用高精度測量儀每隔2 min測量全域風模式面板上邊緣兩測點d1和d8的變形量,總測試時間為20 min。

試驗樣品測點變形數據試驗值與仿真值對比見表6。從表6中可以看出,實測值均略高于仿真值,但偏差范圍在2.4%～8.2%之間,趨勢基本相同,說明數值仿真方法可以為面板熱變形優化提供參考。

表6 試驗樣品測點變形數據對比

試驗樣品測點變形曲線如圖14所示。由圖14可知,變形最大值出現在空調啟動后2～5 min,之后逐漸趨于平緩。這是因為啟動前期,面板前后方向溫差最大,熱脹冷縮作用使面板彎曲量最明顯,并快速達到峰值。隨著面板內部溫度傳遞趨于平緩,面板前后方向溫差慢慢達到穩定,變形量逐漸減小并達到平衡。

▲圖14 試驗樣品測點變形曲線

7 結束語

筆者對空調面板熱變形行為進行研究及優化,建立全域風空調面板熱變形數值仿真模型,對比四個方案的最大熱變形。在面板背面固定鈑金加強條,熱變形量可減小48.8%,因此選取這一方案對面板熱變形進行進一步優化。通過對加強條材質和剛度的細化設計,得到滿足產品使用要求的最終面板結構。數值仿真結果顯示,最大熱變形僅為2.09 mm,相比初始情況8.56 mm減小75.6%。在相同工況條件下,對兩種面板加強條結構進行試驗測試,試驗值與仿真值偏差范圍在2.4%～8.2%之間,驗證了數值仿真結果的可靠性,并得出面板熱變形最大值出現在空調啟動后2～5 min。隨著面板溫差達到穩定,變形量趨于平緩,并達到平衡。