王譽(yù)霖,牛晶潞,張可欣,李 洋

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,哈爾濱 150040)

0 引言

在全球冷鏈運(yùn)量增長(zhǎng)的大環(huán)境下,食品的品質(zhì)安全逐漸成為冷鏈物流環(huán)節(jié)中消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[1]。冷鏈運(yùn)輸因溫度控制不連續(xù)等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致溫度敏感性產(chǎn)品(如易腐性農(nóng)產(chǎn)品[2]、低溫奶、血液等)較易變質(zhì),需對(duì)這類產(chǎn)品嚴(yán)格地按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施冷鏈運(yùn)輸。目前,許多企業(yè)開(kāi)始打造溫敏產(chǎn)品“最后一公里”多批次小批量的配送模式,故而設(shè)計(jì)一款能夠滿足全程低溫環(huán)境配送要求的蓄冷型冷藏箱十分必要。我國(guó)的蓄冷型冷藏箱多數(shù)為整箱形式,體積固定不可折疊,且規(guī)格不一,存儲(chǔ)占用空間大,搬運(yùn)效率較低,使得成本增加,而傳統(tǒng)的蓄冷型冷藏箱已無(wú)法滿足溫敏產(chǎn)品多品類共同配送的需求。

設(shè)計(jì)了一款多溫區(qū)可折疊冷藏箱,通過(guò)改變冷藏箱箱體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可折疊化,有效降低空箱儲(chǔ)運(yùn)成本。對(duì)冷藏箱內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)含有多個(gè)溫區(qū)的冷藏箱,滿足在多個(gè)特定溫度區(qū)間的保溫時(shí)長(zhǎng)需求,通過(guò)多溫區(qū)實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品聯(lián)運(yùn),彌補(bǔ)了冷鏈物流多批次小批量配送模式下不能混裝的缺陷。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)冷藏箱的保溫能力、載荷進(jìn)行模擬分析,為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供新思路,對(duì)冷藏箱箱體結(jié)構(gòu)研究具有參考價(jià)值。

1 多溫區(qū)可折疊冷藏箱的設(shè)計(jì)方案

1.1 箱體材料的選擇

1.1.1 外側(cè)材料

箱壁采用三明治發(fā)泡結(jié)構(gòu),實(shí)際應(yīng)用中,在三明治保溫層中增加真空絕熱板,可令保溫效果更好[3]。蓄冷冷藏箱需要長(zhǎng)時(shí)間處于低溫狀態(tài),且不能對(duì)溫敏產(chǎn)品造成污染,且箱體需牢固并具有較長(zhǎng)的使用壽命。綜合考慮上述條件,箱體外側(cè)材料應(yīng)無(wú)毒、耐低溫、易加工、質(zhì)量小、耐腐蝕、抗沖擊、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且不易變形、低碳環(huán)保,經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),塑料在市場(chǎng)成本、化學(xué)穩(wěn)定性、密閉性等方面具有突出表現(xiàn),通過(guò)對(duì)五大通用塑料各方面性能的比較發(fā)現(xiàn)[4-5],ABS樹(shù)脂能較好地滿足上述需求,具有PS、SAN、BS等材料的優(yōu)秀屬性,故選用ABS樹(shù)脂作為箱體外側(cè)材料。

1.1.2 保溫材料

導(dǎo)熱系數(shù)是選擇保溫材料的標(biāo)準(zhǔn),在穩(wěn)態(tài)傳熱情況下,當(dāng)保溫材料兩側(cè)溫差為1K時(shí),單位時(shí)間內(nèi),單位厚度的保溫材料在單位面積透過(guò)的熱量越少導(dǎo)熱系數(shù)越低,材料的阻熱性能就越強(qiáng)[6-7]。

研究發(fā)現(xiàn),真空隔熱板(VIP)導(dǎo)熱系數(shù)最低,發(fā)泡聚氨酯(EPU)次之,且相差不大。從潘欣藝[8]的研究結(jié)果可知,VIP冷藏箱與EPU冷藏箱的隔熱性能相近,但VIP的材料價(jià)格高,且VIP長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)使用容易出現(xiàn)真空失效的情況,故采用EPU作為蓄冷冷藏箱的保溫材料,但VIP的導(dǎo)熱系數(shù)最小,將采用VIP作為分隔板主要材料。

1.2 箱壁厚度計(jì)算

冷藏箱保溫層的厚度越厚隔熱效果越好。研究發(fā)現(xiàn),保溫層的最小厚度通常以冷藏箱外壁出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象為臨界點(diǎn)。多溫區(qū)可折疊冷藏箱設(shè)定使用環(huán)境溫度為-20 ℃～25 ℃,故通過(guò)公式可求出保溫層的最小厚度[9]。

(1)

式中,α為空氣對(duì)外側(cè)板的換熱系數(shù),一般取10 W/(M2·K)。λ為冷藏箱使用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),取值為0.023 W/(M·K)。t0為在產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范規(guī)定的環(huán)境下空氣的露點(diǎn)溫度,一般露點(diǎn)溫度比環(huán)境溫度低2 ℃,取值為23 ℃。t1為環(huán)境溫度,取值為25 ℃。t2為箱內(nèi)設(shè)計(jì)溫度,取值為0 ℃。δ為最小保溫層厚度。

根據(jù)上式可求出最小隔熱層厚度δ。通常情況下,為確定多溫區(qū)可折疊冷藏箱設(shè)計(jì)時(shí)最小不結(jié)露的保溫層厚度,要在此基礎(chǔ)上再乘以安全系數(shù),安全系數(shù)取1.25左右,故公式修正為:

(2)

通過(guò)計(jì)算得到:

所以最小保溫層有效厚度不得小于33 mm。

綜上,考慮箱壁由塑料中空板、保溫層組成,箱壁厚度定為40 mm。

1.3 蓄冷材料及布局

1.3.1 相變蓄冷材料的選擇

結(jié)合不同的使用溫度范圍要求,蓄冷劑選取的相變材料要具有合適的相變潛熱及相變溫度,以確保低溫環(huán)境的持續(xù)性,要無(wú)毒、無(wú)害、對(duì)溫敏產(chǎn)品無(wú)污染、綠色環(huán)保,且符合動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)及經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在冷鏈多批次小批量配送模式中,需要成本低廉、性能穩(wěn)定、污染小、可循環(huán)利用、保冷時(shí)間長(zhǎng)的蓄冷劑,水凝膠蓄冷劑基本符合上述要求,故選擇水凝膠蓄冷劑作為相變蓄冷材料。

1.3.2 蓄冷劑的擺放位置

在冷鏈保冷運(yùn)輸中,蓄冷劑在冷藏箱內(nèi)的位置會(huì)影響溫度場(chǎng)的分布及貨容量,進(jìn)而影響溫敏產(chǎn)品的保冷時(shí)間。在蓄冷冷藏箱中,蓄冷劑的擺放方式主要有側(cè)擺方式(四周擺放)、頂?shù)追绞?、頂角方式、?duì)角方式、間隔方式(并列擺放)。對(duì)于冷藏箱保溫時(shí)長(zhǎng),不同擺放方式之間存在差異性,會(huì)影響溫敏產(chǎn)品的品質(zhì)變化。經(jīng)過(guò)分析[10-12],考慮到冷藏箱的空間可利用性、蓄冷板的分布均勻性,選擇側(cè)面擺放蓄冷劑。

2 多溫區(qū)可折疊冷藏箱箱體的設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多溫區(qū)可折疊冷藏箱箱體的設(shè)計(jì)需滿足以下要求:折疊方式簡(jiǎn)單易操作,方便客戶循環(huán)使用。可根據(jù)運(yùn)輸物品的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)運(yùn)空間大小。箱內(nèi)設(shè)計(jì)插槽,插槽與可豎插的分隔板配合,實(shí)現(xiàn)多溫區(qū)的功能,最大有效容積量為46 L,最小為34 L。占用空間較小,箱體的容積應(yīng)符合使用需求,各尺寸比例合理,穩(wěn)固性較強(qiáng)。外觀尺寸為800 mm×600 mm×440 mm,折疊后尺寸為800 mm×600 mm×220 mm。箱體結(jié)構(gòu)緊湊,外觀美觀,質(zhì)量小,使用壽命長(zhǎng)。

此外,冷藏箱箱體外觀應(yīng)根據(jù)客戶使用要求及環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì),箱體的尺寸大小、多溫區(qū)的大小及溫度范圍要考慮實(shí)際應(yīng)用情況。箱體的抗壓強(qiáng)度、保溫性能應(yīng)滿足實(shí)際應(yīng)用需求。選擇的材料應(yīng)保證箱體成本盡可能低,經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

2.2 各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多溫區(qū)可折疊冷藏箱的箱壁分為豎側(cè)板、橫側(cè)板、底板、上蓋,通過(guò)SolidWorks軟件分別對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。底板長(zhǎng)邊凸起的活動(dòng)銷(xiāo)用于連接橫側(cè)板,短邊活動(dòng)銷(xiāo)用于連接豎側(cè)板。橫側(cè)板兩端的卡槽用于與豎側(cè)板銜接,兩塊橫側(cè)板中部的凸起對(duì)稱形成插槽,用來(lái)放置分隔板。下端活動(dòng)銷(xiāo)用于連接底板,上端活動(dòng)銷(xiāo)用于連接上蓋。豎側(cè)板側(cè)端有兩處凸起,下方凸起用來(lái)彌補(bǔ)橫側(cè)板立起后在豎直方向上與底板之間的縫隙。上方凸起用于在豎直方向上與橫側(cè)板銜接,不向外傾倒。豎側(cè)板頂端凸起用于與上蓋銜接,固定豎側(cè)板。上蓋分為對(duì)稱的兩塊,活動(dòng)銷(xiāo)用于與橫側(cè)板進(jìn)行連接,箱蓋上的卡槽與豎側(cè)板頂端的凸起相吻合。將各個(gè)部分進(jìn)行裝配,設(shè)計(jì)完成多溫區(qū)可折疊冷藏箱的3D模型,如圖1所示。

圖1 多溫區(qū)可折疊冷藏箱3D模型Fig.1 3D model of foldable multi-temperature zone refrigerator

2.2.2 可折疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

多溫區(qū)可折疊冷藏箱通過(guò)活動(dòng)銷(xiāo)連接各個(gè)獨(dú)立的箱壁板塊實(shí)現(xiàn)可折疊的功能?；顒?dòng)銷(xiāo)在SolidWorks環(huán)境下的3D模型如圖2所示,各個(gè)板塊連接后的整體3D效果如圖3所示,折疊時(shí),按照各自的方向轉(zhuǎn)動(dòng)各個(gè)板塊,直至與對(duì)應(yīng)板塊表面貼合。

圖2 活動(dòng)銷(xiāo)的3D模型Fig.2 3D model of movable pin

圖3 整體3D效果圖Fig.3 Overall 3D rendering

折疊后,冷藏箱的長(zhǎng)和寬不發(fā)生變化,高度減半,此時(shí)所占用的體積為折疊前體積的一半,較整體箱節(jié)省50%的空間。

2.2.3 多溫區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用分隔板將冷藏箱的內(nèi)部空間分為3個(gè)空間,構(gòu)造三溫區(qū)的可折疊冷藏箱。分隔板兩端的插槽與橫側(cè)板的插槽相配合形成隔斷,(如圖4所示),每個(gè)溫區(qū)的尺寸分別為520 mm×190 mm×340 mm、520 mm×260 mm×340 mm、520 mm×190 mm×340 mm。使用過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際需求選擇分隔板個(gè)數(shù),將冷藏箱變?yōu)閱螠貐^(qū)或雙溫區(qū),滿足功能多樣性的要求。多溫區(qū)通常分為常溫區(qū)、中溫區(qū)(7 ℃～10 ℃)、低溫區(qū)(-3 ℃～2 ℃)。

圖4 可折疊冷藏箱多溫區(qū)3D效果圖Fig.4 3D rendering of multi-temperature zone of foldable refrigerator

2.2.4 密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

多溫區(qū)可折疊冷藏箱由于折疊機(jī)構(gòu)的存在,箱體有較多縫隙,會(huì)增加該冷藏箱漏熱率。密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可提高冷藏箱的保溫性能。采用在冷藏箱箱體外加隔熱膜的方法增加箱體密封性。隔熱膜由4個(gè)側(cè)面與1個(gè)底面組成,如圖5所示。

隔熱膜的內(nèi)表面材料選用具有高熱帖性的PEVA(聚乙烯-醋酸乙烯酯),其導(dǎo)熱系數(shù)低,可抗水,韌性強(qiáng),可降解,可直接接觸食品,具有超強(qiáng)耐低溫性。外表面材料選用強(qiáng)韌耐磨的600D滌綸長(zhǎng)絲平紋牛津布(加密)。以上2種材料的成本低,產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)固,可批量生產(chǎn)。采用PEVA與牛津布貼合的方式制成的隔熱膜可以更好地滿足實(shí)際需求。

箱體折疊后可以與分隔板共同放在隔熱膜中,最后形成折疊后的冷藏箱單體,如圖6所示。

圖6 多溫區(qū)可折疊冷藏箱折疊單體Fig.6 Folding monomer of foldable multi-temperature zone refrigerator

箱體頂蓋采用橡膠密封的形式,如圖7、圖8所示。在頂蓋、頂蓋與側(cè)板存在的縫隙中布置密封結(jié)構(gòu),可有效減緩縫隙熱量的流失,提高冷藏箱的保溫性能。密封結(jié)構(gòu)材料選取具有良好耐磨性、耐高壓的聚氨酯橡膠,使用溫度完全滿足多溫區(qū)可折疊冷藏箱的溫度條件。

圖7 頂蓋縫隙密封示意圖Fig.7 Schematic diagram of rubber seal of top cover gap

圖8 側(cè)板與頂蓋縫隙密封示意圖Fig.8 Schematic diagram of gap seal between side plate and top cover

3 多溫區(qū)可折疊冷藏箱性能模擬及分析

3.1 冷藏箱保溫能力模擬

3.1.1 多溫區(qū)可折疊冷藏箱的數(shù)學(xué)模型

冷藏箱控制方程。冷藏箱傳熱的基本控制方程由能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律組成[13]。

質(zhì)量守恒方程為:

(3)

式中,x、y、z為空間坐標(biāo)的3個(gè)方向,ρ為流體密度,t為單位時(shí)間。

動(dòng)量守恒定律分為3個(gè)方向[14],u方向上的動(dòng)量方程:

(4)

v方向上的動(dòng)量方程:

(5)

w方向上的動(dòng)量方程:

(6)

式中,ρFx為x方向單位體積上的質(zhì)量力,ρFy為y方向單位體積上的質(zhì)量力,ρFz為z方向單位體積上的質(zhì)量力。

能量守恒方程為:

+div(λgradT)+φ+Sh

(7)

式中,x、y、z為空間坐標(biāo)的3個(gè)方向,ρ為流體密度,t為單位時(shí)間,h為流體比焓,U為二階對(duì)稱應(yīng)力張量,p為作用于單位體積上的面應(yīng)力,λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù),gradT為傳熱面法向溫度梯度,Φ為耗散函數(shù),Sh為流體內(nèi)部熱源。

氣體流動(dòng)狀態(tài)模型。多溫區(qū)可折疊冷藏箱內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)屬于非定常流動(dòng),采用瞬態(tài)流動(dòng)分析。所模擬的多溫區(qū)可折疊冷藏箱內(nèi)部流體屬于自然對(duì)流換熱。將相關(guān)參數(shù)代入瑞利數(shù)的計(jì)算公式中,計(jì)算出瑞利數(shù)為2.73×1010,大于1010,由此判斷涉及的自然對(duì)流屬于湍流。

湍流模型的選擇。本研究的流體流動(dòng)狀態(tài)屬于自然對(duì)流的湍流,且為不可壓縮牛頓流體,故選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型。

3.1.2 冷藏箱模型的構(gòu)建

因冷藏箱傳熱過(guò)程較為復(fù)雜,在計(jì)算中認(rèn)為硬質(zhì)EPU發(fā)泡均勻,材料參數(shù)一致。參考王建軍蓄冷式多溫保溫箱的模擬研究,給出蓄冷劑物理性能參數(shù)[15],實(shí)現(xiàn)常溫區(qū)、中溫區(qū)、低溫區(qū)的功能,見(jiàn)表1。

表1 蓄冷劑的物理性能

表2為多溫區(qū)可折疊冷藏箱模型尺寸。為簡(jiǎn)化研究,蓄冷材料均勻地附著在低溫區(qū)及中溫區(qū)的前、后、左、右、下的表面上,計(jì)算幾何模型及計(jì)算區(qū)域如圖9所示。

表2 多溫區(qū)可折疊冷藏箱模型尺寸

圖9 計(jì)算幾何模型及區(qū)域Fig.9 Calculation geometry model and area

3.1.3 網(wǎng)格劃分及初始邊界條件設(shè)置

多溫區(qū)可折疊冷藏箱的結(jié)構(gòu)模型是方體,為了提高網(wǎng)格質(zhì)量及計(jì)算收斂速度,采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來(lái)劃分模型。在Fluent中導(dǎo)入冷藏箱的網(wǎng)格文件,并再次檢查網(wǎng)格質(zhì)量,所劃分的冷藏箱體網(wǎng)格與面網(wǎng)格無(wú)負(fù)數(shù),由此可知?jiǎng)澐值木W(wǎng)格質(zhì)量符合計(jì)算要求。

依據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況,采用以下初始及邊界條件:蓄冷劑的初始溫度-20 ℃,箱體和內(nèi)部空氣腔的初始溫度25 ℃。設(shè)定環(huán)境溫度25 ℃,對(duì)流換熱系數(shù)取5 W/(m2·K)。假設(shè)冷藏箱內(nèi)部的氣體不可壓縮,通過(guò)布辛尼斯克密度假定對(duì)空氣膨脹系數(shù)進(jìn)行設(shè)置。不考慮熱輻射的影響,與冷藏箱對(duì)流換熱及熱傳導(dǎo)所吸收的熱量相比,冷藏箱箱體吸收的輻射很少。多溫區(qū)可折疊冷藏箱各項(xiàng)參數(shù)值如表3所示。

表3 多溫區(qū)可折疊冷藏箱材料參數(shù)

3.1.4 模擬仿真結(jié)果分析

冷藏箱不同溫度區(qū)間溫度變化如圖10所示。圖10為常溫區(qū)溫度曲線,未布置相變材料。但由于中溫區(qū)的相變材料釋冷熱傳導(dǎo)影響,溫度有所下降,溫度下降幅度先大后小,后穩(wěn)定在291 K左右,仍低于室溫298 K。圖11為中溫區(qū)溫度曲線,布置相變材料1,經(jīng)過(guò)初期波動(dòng)后溫度穩(wěn)定在相變溫度280 K左右,中溫區(qū)有效保冷時(shí)長(zhǎng)為18 h左右。圖12為低溫區(qū)溫度曲線,布置相變材料2,經(jīng)過(guò)初期波動(dòng)后溫度穩(wěn)定在相變溫度273 K左右,低溫區(qū)有效保冷時(shí)長(zhǎng)為17 h左右。上述結(jié)果與徐笑峰設(shè)計(jì)的兩款規(guī)格不同的多溫區(qū)蓄冷冷藏箱比對(duì),可滿足實(shí)際需求。

圖10 常溫區(qū)溫度曲線Fig.10 Temperature curve of normal temperature zone

圖11 中溫區(qū)溫度曲線Fig.11 Temperature curve of medium temperature zone

圖12 低溫區(qū)溫度曲線Fig.12 Temperature curve of low temperature zone

明顯發(fā)現(xiàn)中溫區(qū)、低溫區(qū)由于保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)較小,相變材料顯熱釋放后,箱體內(nèi)低溫區(qū)、中溫區(qū)空氣溫度迅速下降至相變溫度以下。運(yùn)輸過(guò)程中要避免出現(xiàn)此類狀況,防止因溫度不穩(wěn)定與浮動(dòng)造成食品藥品的凍傷與變質(zhì)。

圖13為箱體內(nèi)部模擬5 h時(shí)的速度云圖。圖中從左至右依次是常溫區(qū)、中溫區(qū)及低溫區(qū)。從圖中可以看到,3個(gè)溫區(qū)頂部空氣流動(dòng)均較強(qiáng),推測(cè)是由于上蓋中間有縫隙造成的。常溫區(qū)由于中溫區(qū)傳遞冷量,并未布置蓄冷材料,空氣流動(dòng)分布較均勻,沒(méi)有渦旋。而中溫區(qū)及低溫區(qū)明顯存在渦旋,底部空氣自然對(duì)流十分明顯。根據(jù)傳熱學(xué)與流體力學(xué)分析,渦旋的存在能夠增加流體流動(dòng)的紊亂程度,故當(dāng)蓄冷材料溫度較低時(shí)空氣的分散程度較高。模型采取自然對(duì)流,而底部出現(xiàn)明顯空氣流速是因?yàn)闇夭顚?dǎo)致空氣流動(dòng)。

圖13 箱體內(nèi)部速度云圖Fig.13 Velocity cloud inside the box

圖14為箱體內(nèi)部模擬5 h時(shí)的溫度云圖。圖中從左至右依次是常溫區(qū)、中溫區(qū)及低溫區(qū)。常溫區(qū)溫度場(chǎng)分布最為均勻,無(wú)明顯變化。中溫區(qū)、低溫區(qū)溫度分布都呈現(xiàn)自下而上逐漸升高的規(guī)律,且溫區(qū)頂部溫度最高,推測(cè)是由于冷量釋放不充分且頂部未布置冷板的緣故。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)減少冷藏箱的開(kāi)門(mén)次數(shù),在上部布置蓄冷板并加大蓄冷材料的用量,避免上部的溫敏產(chǎn)品因溫度不均勻而變質(zhì)。

圖14 箱體內(nèi)部溫度云圖Fig.14 Temperature cloud inside the box

保溫材料的溫度云圖如圖15所示。從左至右依次為常溫區(qū)、中溫區(qū)及低溫區(qū)?？梢悦黠@看到保溫材料與隔板的溫度變化。最左側(cè)常溫區(qū)箱壁由于無(wú)蓄冷材料,溫度與室溫保持一致。中溫區(qū)、低溫區(qū)的箱壁及分隔板均出現(xiàn)溫度由內(nèi)向外逐漸升高的規(guī)律,可以明顯看出存在熱傳遞現(xiàn)象,蓄冷劑的存在可有效吸收熱量,維持低溫環(huán)境。中溫區(qū)與低溫區(qū)隔板溫度分層現(xiàn)象十分明顯,溫度分布在273K～208K,說(shuō)明不同溫區(qū)間會(huì)發(fā)生熱傳遞,因此不同溫區(qū)的分隔板需采用導(dǎo)熱系數(shù)小的保溫材料(如VIP等)。

圖15 保溫材料溫度云圖Fig.15 Temperature cloud of thermal insulation material

3.2 冷藏箱載荷有限元計(jì)算

3.2.1 模型建立

采用Ansys Workbench軟件對(duì)箱體展開(kāi)強(qiáng)度分析,主要的結(jié)構(gòu)材料參數(shù)性能見(jiàn)表4[16-17],賦予材料屬性。建立接觸關(guān)系,箱體之間的接觸可以用綁定接觸來(lái)分析。采用六面體網(wǎng)格對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分,采用合理的網(wǎng)格尺寸,得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為188 373,單元數(shù)量40 280的網(wǎng)格模型。

表4 箱體材料參數(shù)性質(zhì)數(shù)據(jù)

3.2.2 模擬工況及結(jié)果

參考《運(yùn)輸包裝件測(cè)試》ISTA3A標(biāo)準(zhǔn),多溫區(qū)可折疊冷藏箱屬于標(biāo)準(zhǔn)箱(如圖16所示)。為了方便計(jì)算頂部試驗(yàn)載荷,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中頂部試驗(yàn)載荷的確定方法,將冷藏箱橫側(cè)板分別設(shè)為2面、4面,施以向下的770 N載荷。將豎側(cè)板設(shè)為5面、6面,施以向下的550 N載荷。將底板設(shè)為3面,施以向下的1100 N載荷。將頂蓋設(shè)為1面[18],施以1100 N載荷。

圖16 多溫區(qū)可折疊冷藏箱簡(jiǎn)化示意圖Fig.16 Simplified diagram of foldable multi-temperature zone refrigerator

計(jì)算結(jié)果如下:

橫側(cè)板。從圖17箱體位移分布中可以看出,橫側(cè)板最大位移位置均在橫側(cè)板的中間部位,最大位移是0.072 mm。4面箱體自下至上位移變化逐漸增大,2面向下橫側(cè)板位移變化明顯有3處峰值。上述變形在可接受范圍內(nèi),符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖17 橫側(cè)板箱體位移分布Fig.17 Displacement distribution of transverse side plate box

圖18是等效應(yīng)力分布。可以看出,橫側(cè)面應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在橫側(cè)板的中心部位,在0.030～0.034 MPa,小于材料的屈服強(qiáng)度,即箱體在橫側(cè)面向下頂部加載770 N工況下不會(huì)發(fā)生破壞,滿足強(qiáng)度要求。4面橫側(cè)板應(yīng)力變化最大的區(qū)域是橫側(cè)板的中間區(qū)域,出現(xiàn)兩個(gè)峰值,2面橫側(cè)板與分隔板連接處應(yīng)力較大,當(dāng)橫側(cè)板頂部受力時(shí),壓力傳導(dǎo)到分隔板與其的連接位置,導(dǎo)致應(yīng)力較大。

圖18 橫側(cè)板等效應(yīng)力分布Fig.18 Equivalent stress distribution of transverse side plate

圖19是箱體位移分布?？梢钥闯?豎側(cè)板位移由外側(cè)向中心逐漸變大,最大位移位置在豎側(cè)板的中間部位,最大位移是0.187 mm。6面豎側(cè)板與頂蓋配合處位移明顯偏大,這是由于豎側(cè)板受到壓力后,壓力通過(guò)配合處傳到頂蓋上產(chǎn)生變形。5面自下至上位移增大,這與5面全約束、上部是自由狀態(tài)有關(guān)。兩面的變形在可接受范圍內(nèi),符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖19 豎側(cè)板箱體位移分布Fig.19 Displacement distribution of vertical side plate box

圖20是等效應(yīng)力分布?？梢钥闯?應(yīng)力最大值出現(xiàn)在豎側(cè)板的中心部位,在0.050～0.058 MPa,小于材料的屈服強(qiáng)度,即箱體在豎側(cè)板向下頂部加載550 N工況下不會(huì)發(fā)生破壞,滿足強(qiáng)度要求?？梢钥闯?豎側(cè)板與底板連接處應(yīng)力較大,當(dāng)豎側(cè)板頂部受力時(shí),壓力傳導(dǎo)到底板與豎側(cè)板的連接位置,導(dǎo)致應(yīng)力較大,在樣箱生產(chǎn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需關(guān)注此區(qū)域。

圖20 豎側(cè)板等效應(yīng)力分布Fig.20 Equivalent stress distribution of vertical side plate

圖21是箱體位移分布?？梢钥闯?最大位移為0.052 mm,出現(xiàn)在底板的中部,整體變形量較小。

圖21 1面向下頂部加載1100 N位移分布Fig.21 1 displacement distribution of 1100 N loaded toward the bottom and top

圖22是等效應(yīng)力分布?？梢钥闯?應(yīng)力最大值出現(xiàn)在底板的中心部位,在0.019～0.021 MPa,小于材料的屈服強(qiáng)度,即箱體在1面向下頂部加載1100 N工況下不會(huì)發(fā)生破壞,滿足強(qiáng)度要求。

圖22 1面向下頂部加載1100 N應(yīng)力分布Fig.22 1 stress distribution of 1100 N loaded toward the bottom and top

圖23是箱體位移分布?？梢钥闯?最大位移0.174 mm,在頂蓋的中間部位,當(dāng)頂蓋受到壓力時(shí),分隔板成為頂蓋在豎直方向上的約束,阻止頂蓋變形,因此出現(xiàn)頂蓋位移分布存在峰值的情況,整體位移不影響冷藏箱使用,符合要求。

圖23 3面向下頂部加載1100 N位移分布Fig.23 3 displacement distribution of 1100 N loaded toward the bottom and top

圖24是等效應(yīng)力分布。可以看出,頂蓋中間部位應(yīng)力在 0.081～0.91 MPa,小于材料的屈服強(qiáng)度,即箱體在3面向下頂部加載1100 N工況下不會(huì)發(fā)生破壞,滿足強(qiáng)度要求。

圖24 3面向下頂部加載1100 N應(yīng)力分布Fig.24 3 stress distribution of 1100 N loaded toward the bottom and top

3.2.3 結(jié)果分析

箱體在以上6種工況下應(yīng)力最大區(qū)域基本都發(fā)生在各箱壁的中間部位,且豎側(cè)板與底板、頂蓋、橫側(cè)板連接處的應(yīng)力變化較大,在生產(chǎn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域。表5是各工況的計(jì)算變形量,每個(gè)變形量都很小,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)表5變形量,嘗試分析箱體結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn),以期在樣箱制造中加以改進(jìn)。

表5 有限元分析最大變形量

各工況下,最大變形量出現(xiàn)的位置均在箱壁的中心部位,豎側(cè)板或頂板在頂部試驗(yàn)載荷情況下,兩者的接觸位置均發(fā)生較大形變。各工況位移分布、應(yīng)力分布情況表明,分隔板可以有效減緩箱壁形變的發(fā)生,但需要注意分隔板與橫側(cè)板的接觸位置容易發(fā)生疲勞破損,因此在生產(chǎn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域。

4 結(jié)論

提出折疊多溫區(qū)冷藏箱整體設(shè)計(jì)方案,確定了箱體保溫材料、蓄冷劑擺放位置、所用蓄冷劑種類、保溫層最小厚度等關(guān)鍵因素,完成了多溫區(qū)可折疊冷藏箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。利用SolidWorks構(gòu)建裝配多溫區(qū)可折疊冷藏箱3D模型,運(yùn)用Fluent對(duì)冷藏箱的保溫性能進(jìn)行模擬,運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)冷藏箱進(jìn)行6個(gè)工況下的有限元計(jì)算,通過(guò)觀察形變量及應(yīng)力變化,確定冷藏箱箱體整體結(jié)構(gòu)可以滿足工作強(qiáng)度要求。

設(shè)計(jì)的多溫區(qū)可折疊冷藏箱可以很好地解決溫敏產(chǎn)品多批次小批量配送模式中冷鏈的斷鏈問(wèn)題,節(jié)約物流成本,滿足配送需求,具有較高的使用價(jià)值與市場(chǎng)推廣前景。