分体式房间空气调节器室外机出风格栅结构设计分析

摘 要：根据GB4706.1—2005《家用和类似用途电器的安全通用要求》中相关结构安全标准的判定，对家用空调室外机注塑件出风格栅的结构设计的安全要求进行分析及模拟仿真，优化出出风格栅的参数，提高设计准确性，减少改模，提高效率，降低成本。
关键词：室外机出风格栅；结构设计；安全要求；仿真


0 引言
在目前家用空调室外机设计中，出风格栅除了应使前端风阻尽量小，满足风量、噪音的要求外，同时也应满足国标中机械危险的安全性要求。出风格栅开模前的验证，常用的手段是通过制作手板样件来进行测试确定，由于工艺的限制，手板采用的材料与最终模具生产采用的材料是不同的，这样就很难在设计初期对格栅结构强度进行准确计算，更多是依靠设计人员的经验确定，导致后期一旦测试不通过，模具更改难度大、成本高且浪费时间。本文以某型室外机出风格栅为例，在风量及噪音已确定的前提下，通过引入仿真分析，在投模前对结构强度进行校核，降低人为因素的影响，使其达到设计要求，提高设计准确性，减少改模，提高效率，降低成本。
1 理论分析思路
根据GB4706.1—2005《家用和类似用途电器的安全通用要求》中第8章“对触及带电部件的防护”、第20章“稳定性及机械危险”、第22章“结构”中的相关描述，外机出风格栅结构安全方面需满足以下几点：
（1）器具的结构和外壳应使其对意外触及带电部件有足够的防护。用试验指加力到20 N，试验指应不能碰到带电部件（电机轴视为可能带电部件）。
（2）对防止接触带电部件、防水或防止接触运动部件的不可拆卸零件，应以可靠方式固定，且应承受住在正常使用中出现的机械应力。以最不利的方向施加力于盖或零件可能薄弱的部位，并持续10 s。但不得使用猛力，施加的力为50 N推力（出风格栅通常采用螺钉固定，且不会有轴向拉力，拉力测试视为合格）。
（3）器具运动部件的放置或封盖，应在正常使用中对人身伤害提供充分保护，通过视检及用试验指施加一个不超过5 N的力来检查合格性。防护性外壳、防护罩和类似部件，应是不可拆卸部件，并且应有足够的机械强度（为便于测量，文中数据用11号探棒代替B型探棒进行测试，两探棒间头部基本尺寸相同，11号探棒带测力计，测试示意图如图1所示）。


对于上述必须满足标准的3点中，第（1）点试验指不能碰到电机轴，因轴流风叶中间区域对风量影响可忽略不计，格栅的中间设计可采用加密格栅间隔筋条或封闭式结构来满足强度要求，设计上比较容易达到标准要求；第（2）点由于出风格栅通常采用螺钉固定于面板上，风叶与格栅距离通常在20 mm以上，也比较容易达到标准要求；关键是第（3）点，不同机型的格栅其主筋、辅筋因风量、噪音关系其间隔、高度、跨度有所不同，抗试验指穿透的强度不一，再加上设计之初，手板验证受限于制作工艺限制，所用材料为ABS，但实际产品采用材料为PP，两种材料的差异带来强度方面的不同，造成理论设计与实际所需尺寸之间偏差较大，导致实际新开模样件达不到电气安全的要求，使得后期改模困难，
成本增加及开发周期延长。此为本文重点解决的问题点，通过引入有限元分析理论，模拟试验指在不同格栅尺寸参数下穿过格栅所需要的力，优化出一套格栅的参数，为新设计进风格栅满足结构安全标准提供理论参考。


2 仿真力学分析
在出风格栅的三维PROE模型上，利用Hypermesh作为前处理工具对出风格栅和试验指进行网格划分、载荷的施加、边界条件的创建等，然后采用ANSYS作为计算和后处理工具，仿真模拟了试验指穿过格栅的整个动态过程，方便观察到格栅的最大应力和应变，以及试验指穿过格栅所需要最小的力，并通过实际零件验证该理论分析的正确性。
2.1 格栅与试验指的建模途径和力学分析
为了准确地评估格栅的力学性能，需要建立其三维模型，用Hypermesh和ANSYS软件对三维模型进行有限元分析。以方形格栅为例，对三维模型进行适当简化，建立格栅的两条主筋、两条辅筋以及试验指的简化模型，并进行前处理后，导入ANSYS软件进行计算。分析临界状态下穿过该格栅所需要的力，确定是否满足结构安全标准。
出风格栅的主要参数如表1所示，不同的参数将会导致穿过格栅的力不同。
以方案1尺寸为例建立格栅的三维模型，试验指的尺寸参数一定，装配后如图2所示，直接将格栅与试验指的装配模型转化为.stp格式并导入Hypermesh软件中。
2.2 格栅模型的前置处理
2.2.1 确定格栅与试验指的分析类型
格栅与试验指的测试过程中主要是两个面进行接触和变形，试验指施加力的大小是根据面本身相互作用的接触力确定的，整过试验指穿过格栅为一个动态的过程，预先设定的试验指的力是缓慢的增加到所设置的力。所以，格栅与试验指的测试过程为面-面接触非线性动态力学分析类型。
2.2.2 单元类型的选择及网格的划分
格栅在整个过程中可以看做是刚体，不会发生变形，因此用二维的SHELL单元来模拟，在材料性质中设置单元的厚度为1 mm即可，格栅选用的单元类型选择正六面体单元模拟。划分网格的有限元模型如图3所示。
2.3 材料常数的定义

格栅的材料为PP料，材料弹性模量EX=1.2E9，泊松比为0.27，密度为1.19E-09，试验指的材料为不锈钢，材料弹性模量EX=2.1E11，泊松比为0.33，密度为7.8E-09。


2.4 定义接触对、载荷、约束等边界条件
定义试验指的外表面为主接触面，格栅的内表面为辅助接触面，创建面-面接触对。由于试验指已定义为刚体，施加在试验指上的载荷为9 N，系统自动把9 N的力施加在试验指的质心位置，试验指约束住除了在竖直方向的自由度之外的所有自由度，格栅约束住侧向主筋与辅筋侧向的所有自由度，如图4、图5所示。


2.5 设置求解选项及输出计算结果等后处理
通过Hypermesh软件输出K文件，导入ANSYS软件中进行计算，求解选项如下：计算终止时间0.24 s，计算载荷子步2E-4 s，每0.002 s输出一次结果。
根据计算结果，如图6、图7所示，在9 N的时试验指能穿过格栅，格栅的最大变形在正中间位置，变形后刚好可以让试验指穿过，由于试验指没有约束在竖直方向的自由度，而力施加的载荷是从0到9 N逐渐增加的过程，所以会出现试验指反弹的现象，格栅的最大受力点也在主筋的中间，受到的最大的力为33 N，可通过动画效果来观察整个动态的穿透过程。




3 临界穿透力的确定
由于格栅试验指的测试需要确定临界穿透力，确保该穿透力在要求的5 N范围内。目前通过软件并不能一次性计算出该穿透力，需重复计算，更改施加在试验指上的载荷的值，逐步逼近该临界穿透力。
格栅的参数选用表1中方案1，模拟在施加在试验指上的载荷F分别为：5 N、8 N、9 N、10 N的时候，格栅的最大变形图如图8～图11所示。








根据以上模拟分析可得到：当F≥9 N的时候，试验指能穿过格栅，当F≤9 N时，试验指不能穿过格栅，因此格栅参数为方案1时的临界穿透力为9 N，格栅的最大应力与载荷的关系图如图12所示。



4 格栅穿透力实验验证
从方案1的仿真数据来看，试验指的临界穿透力为9 N，理论上已满足＞5 N的标准要求，实测按方案1开模的出风格栅，其实际穿透力在11～13 N之间，已远大于5 N的要求；同时，为验证格栅间隔变化对穿透力的影响，对不同方案进行仿真计算与实际零件测试如表2所示，数据表明仿真穿透力较实际小，理论计算与实际有一定的偏差，主要是材料常数定义偏差、时间步、载荷约束等所致，但在实际运用中均能保证结构强度，满足标准的测试要求。此外，从仿真数据及实际验证看，试验指的穿透力对宽度变化较为敏感。
5 结论及设计数据推荐

通过仿真模拟与实际零件的测试对比，可得出该理论分析的正确性，并获得塑料出风格栅设计时满足结构安全标准基本参数：
（1）影响塑料格栅能否满足安全标准的重要参数为格栅间隔的长度及宽度，试验指推力与其呈反比关系，且间隔宽度的变化对试验指推力影响更大，因此，选取的时候尽量低于前面所分析的临界值10 mm。长度建议在50 mm以下。
（2）相同PP材料不同生产厂家存在性能差异，仿真分析材料常数定义要有所调整，如果设计时未留余量或余量较小极有可能批量生产出现不能满足安全标准的情况，理论设计参数满足≥9 N比较合理。
（3）家用空调室外机在使用中，常常伴有高温高湿的环境，出风格栅存在一定的软化，其强度会受影响，设计余量的预留建议在标准值5 N的两倍以上。同时，需考虑筋条拔模斜度与圆角对结果的影响。


[参考文献]
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