某空调压机地板变形有限元研究和改进设计

1、某空调压机地板变形有限元研究和改进设计摘要：针对某空调器室外机进行跌落试验时压机底 板变形问题，运用有限元数值分析方法，对压机底板的应力 分布状态进行了分析研究，提出了包装件合理的结构改进方 案，针对新方案进行了试验验证。进行了包装件的结构改进 设计，对开发出的产品进行了实验研究，证明了有限元分析 的合理性。关键词：压机有限元应力绪论随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，空 调、电冰箱、电视机、微型计算机等家用电器产品已成为家 庭必备的日常用品。企业要想持久地占领市场，必须不断适 应市场潮流变化，推陈出新，在较短的开发周期中设计出性 能优越的产品，也就是要提髙产品的设计一次成功率，减少

2、设计缺陷，适应变化的市场需求。但是空调包装件在安装搬 运中难免地会发生意外的碰撞和跌落，从而使其性能受到很 大的影响，因此产品包装件的抗跌落性能也是产品开发的主 要内容之一，提高空调抗跌落性能有利于保证产品的性能。传统的设计往往根据经验去判定结构的强度可否达到 要求，而没有进行理论分析。或者说设计者在设计之初没有 根据零件的结构特点设计出满足强度要求的零件，而是样机 制作后通过小批试制来反映问题，从而对原有结构进行改进 设计，导致产品开发周期延长、成本增加。目前空调器结构 设计就是采取以上的设计方法，通过pro/engineer快速设 计出满足外观要求且结构复杂的产品，借助干涉检验及模拟 运动

3、对产品进行仿真。明德林提出采用刨花、纸屑、矿渣棉、棉花等材料作为 缓冲材料，贵重仪器则采用弹簧支架的悬浮包装1。美国 的牛顿通过试验方法求出边界损坏条件来确定产品损坏极 限值一脆值，为缓冲包装设计奠定了理论基础。国内许多学 者对运输包装缓冲系统跌落冲击作了研究。马金盛等人从缓 冲设计的角度主要讨论了产品包装内部衬托的结构强度与 形状的优化设计2。汤伯森等人等以包装件的力学模型为 依据，用脉冲响应法求解产品中易损零件对振动环境的响应 3。黄道敏等人运用动态仿真工具包来仿真包装件在多种 激励下及跌落过程中的动态特性4。郭彦峰等人研究了运 输包装缓冲系统的计算机仿真流程和建模理论与方法5。 王志伟等

4、首次把洗衣机运输缓冲包装系统简化成两自由度 的冲击模型，研究在矩形脉冲下洗衣机箱体和桶体的不同的 冲击谱6。根据国标gb/t 7725房间空气调节器，空调包装后要 满足规定条件下的压机地板跌落试验7。本文运用有限元 数值分析的方法，通过建立某型号空调二自由度动力学模 型，确定了其室外机压机底板跌落过程中的最大载荷。根据 该载荷，对压机底板的应力分布状态进行了数值分析，得出 底板在最大载荷下的变形状态，并提出了对包装件合理的结 构改进方案，通过试验验证了有限元分析的可行性。一、某空调压机地板跌落实验中存在的问题空调器室外机压缩机底板（图1）是空调器室外机外壳 的主要组成部分，由底盘、底脚和压机固

5、定螺栓组成，各部 件通过点焊连接成一体。压机底板为冲压成型件，由钢板通 过冲压成型模制作而成。空调室外机底板采用1.2mm厚冷轧 钢板（gb/t708）,材料牌号为q235-gb/t11253,经模具成型 后表面喷塑而成。以某型号的室外机包装件作为分析对象，进行跌落载荷 的分析。传统设计方法主要考虑各结构件和包装件之间的配 合问题，强度设计则基本依据经验。图纸设计完之后进行样 件制作，样机经包装后进行跌落试验来验证产品是否满足跌 落强度要求。出现的问题主要是室外机压机底板变形（图2）, 迫切需要解决。图1压机地板工程图图2室外机压机底板跌落后变形 状态空调压缩机通过三个减振底脚与底板连接，压机

6、底板和包装组件的装配图如图3。图3压缩机侧部件装配示意图二、压机底板有限元模型的建立及应力分析1. 压机底板有限元模型的建立实际生产中所采用的包装缓冲材料大多数属于非线性 弹性体，泡沫包装托要求中其材料的“压缩强度不小于 200kpa （相对变形50时压缩应力）”，由此可以估算出弹 性模量的数值：（1）由包装托体的结构形状尺寸可近似得出刚度（2）式中：a受力部位面积/；l受力部位厚度/。根据零件的工程图纸计算出底板与包装托的接触面积， 即受力面积以及对应包装托的厚度，结合式（2）求出压机 侧的包装托等效弹簧刚度系数，电机侧的包装托等效弹簧刚 度系数.2划分网格、加载和约束划分网格压机底板采用s

7、hell63壳单元，装配的泡沫 托采用solid92实体单元，二者之间的相互连接采用自由度 耦合8（图4）。载荷和约束对底板与泡沫托接触的部位和压机底脚处 等进行加载。由于跌落时包装托底面与冲击台是平面接触， 而台面的刚度远大于包装托泡沫刚度，因此包装托底面的约 束条件为垂直方向位移为零，水平位移不受限制。电机侧载 荷按面分布压力作用于电机与底板的联结面上，压机侧的载 荷按压缩机及底板等效质量比分为两部分，大小为和，分别 按分布体积力和面分布压力作用与底板和底板与压机底部 相接触的圆面上，橡胶垫对底板的作用力按分布压力作用于 二者的接触面上。有限元边界约束及加载模型9如图5o图4压机底板及泡沫

8、托网格模型图5压机底板加载后 有限元几何模型3.压机底板有限元分析结果经过ansys求解器的运算，得到了底板应力分布如图6o 图6压机底板右侧局部应力分布从压机底板应力变形图可以看出，压缩机底脚处发生了 明显的变形，最大应力值为313. 15mpa,底板上压机底角处 的局部区域中的应力值超过了材料的屈服强度235mpa,必然 产生塑性变形。由以上分析可得出如下结果：3. 1跌落后压机底脚处发生了明显的不可恢复的塑性变形，而电机侧在弹性变 形范围内；3.2变形状态与实物基本一致，在实际的样机试制跌落 试验中，底板变形也主要发生在此部位，与分析的结果是相 吻合的。三、结构设计改进设计结构的改进，主

9、要减小底板此部位的冲击应力值， 避免塑性变形的产生10 o1根据材料力学理论，主要有两种方法：减小底板所受载荷；提高底板自身承载能力。要达到以上两个目的可以从以下措施入手：1.1调整缓冲弹性体的刚度，即减小压机减振垫或者包 装泡沫板的刚度系数。压缩机减振垫为空调器产品内部件；1. 2提高底板刚度可以从结构设计改进和增加板厚两方 面入手。图7为改进后的包装托与底板装配后的三维造型图，将 原来的整体泡沫托整体加厚20mm并更改为分体结构（20mm 的厚度是经反求计算优化而得出的），在原有的包装托结构 中，压机底脚处左侧两个橡胶垫支柱压部为是悬空的现为泡 沫垫实。图7改进后的包装托与底板装配图2.

10、改进后有限元模型分析同样对模型进行简化以及约束加载。图8为经简化后的 有限元几何模型，经过ansys求解器的运算，得到了底板应 力分布图，如图9所示底板薄弱部位的局部应力分布。图8改进后的有限元几何模型图9改进后压机底板右 侧局部应力分布3. 分析结果从图9应力变形图可以看出，变形最大处仍为压机底脚 处，但最大应力为181.374mpa,没有超过材料的屈服强度 235mpa,为弹性变形。改进前后效果对比如表1。从表1中可以看出改进后的压机底板不但达到了跌落试 验要求，同时材料用量减少，还降低了材料的使用成本，效 果十分显著。四、试验验证空调器产品性能指标符合gb/t 7725房间空气调节器 8

11、的有关要求。在此标准中6. 3. 16包装试验规定应对包装 件进行跌落试验，根据物流状况分析，采用流通条件2进行 试验。以某型号室外机为研究对象，对应的跌落高度为 300cmo将包装托的整体厚度加大20mm,且压机底脚处垫实，并 且更改为分体式结构重新设计，制作出样件。实验结果满足 设计要求，证明了有限元分析的正确性，可以正常生产。五、结论1.改进后的包装件经跌落试验后，完全达到了国标要 求。即包装外观应无明显破损和变形；产品表面及零部件没 有机械损伤。2. 结构改进后的包装件完全符合了国家标准及企业标 准要求，提高了产品的一次合格率，缩短了新产品的开发周 期，降低了新产品调试时的废品率，降低

12、了产品的制造成本， 为公司新产品的上市打好了良好的基础，带来了很大的经济 效益。参考文献：.1 5 step packaging development , mts systems coprotion , 1998.2 马金盛缓冲及防震包装的研究j.包装工程， 2002, 23 (5)： 35-38.3 余文勇，石绘.机器视觉自动检测技术m.北京：化 学工业出版社，2013, 7.4 黄道敏缓冲包装产品的动态特性及其仿真方法j.包装工程,1999, 20 (4)：47-49.5 尚久浩，张淳，李思益.自动机械设计(第二版) m.北京：中国轻工业出版社，2010, 8.6 王志伟洗衣机包装系统在矩形波冲击下的特性研 究j.包装工程,1997, (z1)： 1215.7 中国国家标准化委员会房间空气调节器gb/t7725.