蒸烤箱跌落損傷分析及優化

王小龍

（華帝股份有限公司 中山 528300）

引言

隨著市場經濟環境和生活水平的不斷提高，蒸烤箱產品已經進入千家萬戶[1]。產品從工廠生產出來以后，需要經過裝卸、搬運、運輸和貯藏等環節。在任何環境中，產品都會受到外力的作用[2-5]。為達到防止產品遭到破壞的目的，需要設計相應的緩沖包裝來避免產品受到劇烈的沖擊和振動。

為了保護產品不受到損壞，在包裝箱內需要布置相應的泡沫塑料、蜂窩紙板、瓦楞紙板等緩沖結構。為使緩沖包裝具有最優的緩沖保護效果，需要對其在振動和沖擊激勵下的動態緩沖特性進行深入的分析，以此來進行結構的優化[6-10]。

跌落實驗是驗證產品包裝可靠性和產品抗沖擊強度的直觀手段，但實驗成本高、實驗周期長，又不能確定產品在實驗中出現的問題是由包裝設計環節引起還是產品結構設計環節引起，往往以整改包裝結構、增加包裝成本方式來解決問題，處于邊整改邊驗證階段；而跌落仿真技術能夠解決上述問題，在概念設計階段可為產品強度設計提供依據，縮短產品開發周期[11-16]。

本文中的蒸烤箱產品在跌落測試中，總是會出現內膽搪瓷碎裂的問題。通過跌落試驗無法確定搪瓷碎裂的具體原因，在包裝和結構方面進行多次修改依然無法解決相應的問題。最后通過有限元分析，將整個跌落過程可視化后，找到了內膽爆瓷的原因。

1 原方案跌落測試

對設計好的蒸烤箱產品進行1角3棱6面的測試。根據企業內部標準采用460 mm的跌落高度。跌落后，發現蒸烤箱內膽爆瓷，爆瓷結果如圖1所示。

圖1 爆瓷結果

根據測試結果，將包裝厚度由原始的35 mm增加至60 mm，包裝成本增加一倍依然出現爆瓷現象。對原始結構內膽周圍增加加強支架，測試依然無法通過。針對上述情況，需要通過有限元分析，將跌落過程可視化，分析出內膽爆瓷的具體原因，并提出相應的解決方案。

2 蒸烤箱跌落模型建立

2.1 幾何模型的建立

通過三維軟件建立蒸烤箱的三維模型，其幾何模型如圖2所示。將文件另存為STP格式，導入有限元軟件中進行網格劃分。

圖2 產品幾何模型

2.2 有限元模型建立

對結構模型進行簡化處理，其中螺釘、開關、小的塑膠件刪除，對于大的電控主板，顯示器等采用質量點進行代替。鈑金件采用抽取中面后，使用四邊形網格來劃分。泡沫及塑膠件采用四面體網格進行劃分，對于玻璃等采用六面體進行網格劃分。對于整機中的的螺釘連接采用剛性單元建立，焊接及膠粘的模擬采用綁定接觸。整體的網格模型如圖3所示。

圖3 蒸烤箱網格模型

采用六面體單元建立地面和瓦楞紙，接觸采用通用接觸，設置摩擦系數為0.1，對地面節點采用全約束，其他包裝節點施加向下的初速度，整體的跌落模型如圖4所示。

圖4 產品幾何模型

3 爆瓷原因分析

對蒸烤箱進行6面12棱8角的跌落分析，發現在對蒸烤箱進行棱邊跌落時，爆瓷區域的應力明顯增大，應力分布圖如圖5所示。從圖中很明顯的看出爆瓷區域應力高于周圍區域，爆瓷原因為跌落時應力過大，導致該區域變形較大，從而引起搪瓷碎裂。

圖5 蒸烤箱內膽應力分布

對爆瓷區域變形放大后如圖6所示，可以明顯看出圓角處變形很大，跌落時內膽前板需要承受很大的沖擊力。由于前板在該區域還有一個缺口，導致整塊板的剛度變弱。

圖6 爆瓷區域變形放大圖

4 問題改善

針對內膽搪瓷碎裂的原因，目前改善問題的方法主要分三個方向：①產品結構方向，對蒸烤箱結構修改，可以對整塊板進行加厚，也可以對局部區域進行加強，或者將內膽和前板拆開添加緩沖材料；②工藝方向，搪瓷件的表面噴涂工藝要嚴格把控，要求做到表面平整，過渡圓滑，不能有大量銳角、銳邊結構；③包裝方向，增加包裝的材料厚度，減小跌落時產品受到沖擊力。

4.1 優化方案1

對泡沫進行結構修改如圖7所示，在原始方案的基礎上，泡沫厚度增加，中間區域增加泡沫。

圖7 包裝修改

對內膽后端支架進行優化，加長原始方案的支架，支架的頂部和上蓋連接，支架的底部和下蓋連接，中間采用焊接方式和內膽進行連接。減小跌落時內膽給前板的沖擊力，具體的修改方案如圖8所示。

圖8 內膽支架修改

對內膽前板進行如圖9所示的結構優化，將原有的增強支架連起來，增強前板的剛度。

圖9 內膽前板修改

通過仿真分析，優化方案1爆瓷區域應力有所降低。在實際打樣過程中，發現圖8和圖9中的支架修改方案在實際制造中難度較大，圖8中支架的大范圍焊接容易造成內膽的變形，圖9中的支架在焊接中無法完全貼合前板，采用替換方案后，跌落測試還是會有爆瓷現象出現。

4.2 優化方案2

針對優化方案1出現的加工困難的問題，對結構修改如圖10所示。將內膽和前板進行拆分，中間使用使用橡膠進行密封。內膽和前板通過四周的支架進行連接，跌落時內膽的沖擊力有效的分散到前板各區域，同時橡膠起到很好的緩沖作用，避免內膽和前板的應力過大引起爆瓷。后端支架還是采用原有的方案，整體受沖擊的能力較方案1有所提升。

圖10 工藝修改

通過仿真分析，優化方案2爆瓷區域應力低于優化方案1。對整個方案進行打樣驗證，結果可以通過標準跌落測試。

4.3 優化方案3

對于優化方案2，需要修改的結構較多，模具修改費用過高。針對上述問題，提出優化方案3，在不修改蒸烤箱結構的前提下，通過修改包裝來解決搪瓷碎裂的問題。

優化方案3的詳細修改方案如圖11所示。在原有包裝的基礎上，增加一圈珍珠棉，通過加大緩沖來降低跌落時內膽受到的沖擊力，從而解決內膽爆瓷的問題。

圖11 優化方案3

通過仿真分析和打樣測試，當珍珠棉的厚度增加到100 mm時，該方案能夠通過標準跌落測試。

5 結論

本文通過對蒸烤箱進行跌落仿真分析，找到了內膽碎裂的原因。在此基礎上提出了三種優化方案。每個優化方案都有相應的優缺點，必須結合實際生產情況進行分析。方案一修改成本最少，但是加工難度最大；方案二跌落效果最好，但一次投入的修改成本過高；方案三包裝單次投入少，但隨著銷量的增加，累計成本也很高。通過該案例的分析，在后期蒸烤箱的設計中，類似這種結構在設計初期即可通過仿真手段驗證其可行性，避免出現后期改模費用較高的問題。

對比傳統的跌落測試，仿真分析能找出跌落損傷的具體原因，并根據具體原因提出有效的解決方案。相比較于只有損傷結果的測試，仿真能復現整個跌落過程，分析出薄弱點產生的原因，針對性的解決問題。

在廚電行業的其他產品設計中，也會遇到類似的問題。本文中所述的方法及案例可以在后續的結構設計中起到很好的參考作用。通過仿真分析，有效的縮短研發周期，減少打樣成本，避免后續遇到問題花費時間和成本來解決，具有很好的推廣應用價值。