□ 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(yōu)化背景

結(jié)構(gòu)熱變形影響著各類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品,因此熱變形研究對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。李倩龍[1]建立一維圓盤(pán)機(jī)械零件的熱力學(xué)理論模型,并開(kāi)展數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究,為工業(yè)設(shè)計(jì)中的熱變形控制提供技術(shù)參考。在汽車(chē)領(lǐng)域,陳吉清等[2]針對(duì)汽車(chē)儀表板,通過(guò)仿真方法模擬汽車(chē)常溫和高溫環(huán)境循環(huán)變化時(shí)的熱殘余應(yīng)力,系統(tǒng)研究熱變形問(wèn)題。謝東升等[3]利用車(chē)內(nèi)余熱回收系統(tǒng),對(duì)渦旋盤(pán)的應(yīng)力變形進(jìn)行全面分析。另外,對(duì)機(jī)械零部件的熱變形研究和應(yīng)用也已經(jīng)廣受科研人員的關(guān)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(guān),因此,對(duì)材料自身的熱變形進(jìn)行研究顯得尤為重要。劉子龍[8]對(duì)GCr15軸承鋼的熱變形性能進(jìn)行分析,姚碩等[9]對(duì)304不銹鋼的變形機(jī)理和材料本構(gòu)進(jìn)行研究。在家電領(lǐng)域,冰箱作為控溫產(chǎn)品,其結(jié)構(gòu)熱變形的表現(xiàn)直接影響產(chǎn)品品質(zhì),對(duì)這方面的研究也尤為重要,如楊詩(shī)華等[10]對(duì)不同材質(zhì)薄壁冰箱門(mén)體的熱變形進(jìn)行了細(xì)致的研究。

作為家庭環(huán)境溫度控制器,空調(diào)的熱變形問(wèn)題是行業(yè)內(nèi)持續(xù)研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)形式的空調(diào)掛機(jī)面板僅作為外觀(guān)面,通過(guò)卡扣等形式內(nèi)扣于主框架內(nèi),熱變形量極小,對(duì)整機(jī)運(yùn)行基本無(wú)影響。而作為新形式的全域風(fēng)空調(diào),面板在體現(xiàn)整體外觀(guān)的同時(shí),也作為主要送風(fēng)部件詮釋高舒適性送風(fēng)技術(shù),因此熱變形對(duì)結(jié)構(gòu)和送風(fēng)舒適體驗(yàn)均有重要影響。

筆者以全域風(fēng)空調(diào)面板為載體,首先建立熱變形數(shù)值仿真模型,并進(jìn)行多方案仿真分析,然后基于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多因素結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最后對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,從而形成面板熱變形問(wèn)題從方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化到試驗(yàn)驗(yàn)證的全流程解決方案。

2 熱變形基本理論

材料由于溫差產(chǎn)生變形,在自由狀態(tài)下,熱變形理論計(jì)算式為:

ΔL=αLΔT

(1)

式中:ΔL為熱變形量;α為材料熱膨脹系數(shù);L為材料尺寸;ΔT為溫差。

熱傳導(dǎo)公式為:

Q=KAΔT/L

(2)

式中:Q為熱傳導(dǎo)熱量;K為材料熱傳導(dǎo)系數(shù);A為熱量傳導(dǎo)面積。

當(dāng)材料尺寸一定時(shí),通過(guò)控制表面溫差及傳導(dǎo)面積,改變結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)量,如將不同材料相結(jié)合,可有效減小熱變形量。對(duì)于空調(diào)面板,尺寸已確定,表面受環(huán)境和空調(diào)換熱氣流的溫差作用,隨著材料內(nèi)部溫度傳遞達(dá)到平衡,熱變形也將趨于平穩(wěn)?？赏ㄟ^(guò)改變材料屬性及材料結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行優(yōu)化,減小熱變形量。

3 三維數(shù)值模型

全域風(fēng)空調(diào)使換熱空氣通過(guò)面板進(jìn)行分流,從而使氣流從面板四周吹出。全域風(fēng)空調(diào)氣流如圖1所示?？照{(diào)運(yùn)行時(shí),面板內(nèi)外側(cè)存在明顯溫差。為調(diào)節(jié)氣流方向,面板需多角度運(yùn)動(dòng)。因此,面板的熱變形對(duì)氣流和運(yùn)動(dòng)控制有重要影響。面板結(jié)構(gòu)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(shè)有四個(gè)掛裝點(diǎn),與中框運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接,以驅(qū)動(dòng)面板運(yùn)動(dòng)。塑料面板與保溫泡沫通過(guò)塑料膠粘合。

▲圖1 全域風(fēng)空調(diào)氣流

▲圖2 面板結(jié)構(gòu)▲圖3 面板橫截面▲圖4 方案三▲圖5 方案四

對(duì)于家電產(chǎn)品,在設(shè)計(jì)之初外觀(guān)、尺寸已經(jīng)基本確定。面板橫截面如圖3所示,整體呈現(xiàn)出兩端高中間低,并且左側(cè)相對(duì)更薄,最薄分界線(xiàn)偏向左側(cè),因此對(duì)其熱變形優(yōu)化方案以不改變既定外觀(guān)為原則,考慮中間凹陷位置強(qiáng)度較弱的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。面板熱變形優(yōu)化方案見(jiàn)表1。方案一和方案二采用不同的塑料材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比。方案三塑料面板在滿(mǎn)足模具要求的情況下,背面增加加強(qiáng)筋,以提高塑料件強(qiáng)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(qiáng)條,通過(guò)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(shù)見(jiàn)表2。

表1 面板熱變形優(yōu)化方案

面板整體使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,單元尺寸為5 mm,總網(wǎng)格數(shù)約13萬(wàn),網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為24萬(wàn)。劃分后的面板網(wǎng)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(qiáng)條均采用綁定連接,約束四個(gè)運(yùn)動(dòng)掛裝點(diǎn)的前后方向?？紤]嚴(yán)酷環(huán)境下模擬空調(diào)制冷工況,對(duì)冷氣流經(jīng)過(guò)面板背面及四周施加制冷溫度8 ℃,對(duì)面板正面施加環(huán)境溫度40 ℃。

▲圖6 面板網(wǎng)格

4 仿真結(jié)果

以方案一對(duì)面板熱變形進(jìn)行基本特征分析,由于面板前后方向變形對(duì)整機(jī)的影響最大,因此需重點(diǎn)關(guān)注。方案一面板位移如圖7所示。面板內(nèi)側(cè)為低溫收縮,外側(cè)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(cè)薄于右側(cè),變形量明顯較大,最大值為8.56 mm,位于左側(cè)邊緣下角點(diǎn)。面板應(yīng)力如圖8所示,可發(fā)現(xiàn)應(yīng)力分布集中在四個(gè)掛裝點(diǎn)和四周邊緣處,中間區(qū)域應(yīng)力較小,原因?yàn)殡S著面板變形的增大,掛裝點(diǎn)位移發(fā)生變化,但受到空調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的約束,為抵抗這種位移變化而產(chǎn)生力的作用。同樣,面板四周翻邊受到熱脹冷縮的擠壓,產(chǎn)生材料變形應(yīng)力。應(yīng)力峰值僅為15 MPa,位于塑料面板掛裝點(diǎn)處,遠(yuǎn)低于材料屈服應(yīng)力。

▲圖7 方案一面板位移▲圖8 方案一面板應(yīng)力

各方案位移對(duì)比圖如圖9所示?？梢钥闯?面板變形形式相似,隨著對(duì)塑料面板材質(zhì)和背面結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化,變形量明顯減小。面板上邊緣均分點(diǎn)d1～d8變形曲線(xiàn)如圖10所示,橫軸是以d1為起點(diǎn),各點(diǎn)與總長(zhǎng)度的比值。由曲線(xiàn)可以看出,距離d1點(diǎn)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(diǎn)較遠(yuǎn),面板左側(cè)變形明顯大于右側(cè),中間內(nèi)凹峰值點(diǎn)也略偏向左側(cè),整體形態(tài)與實(shí)際相吻合。

▲圖9 各方案位移對(duì)比

▲圖10 面板邊緣均分點(diǎn)變形曲線(xiàn)

各方案變形數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。方案二塑料材質(zhì)由高抗沖聚苯乙烯改為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯,對(duì)變形的影響相對(duì)較小。當(dāng)采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材質(zhì)并在背面設(shè)置較密集的加強(qiáng)筋后,變形明顯改善,由原來(lái)的8.56 mm減小至5.44 mm,降幅達(dá)到36.5%,由此說(shuō)明面板結(jié)構(gòu)剛度的提高對(duì)改善變形優(yōu)于純材質(zhì)的改變。當(dāng)采用熱膨脹系數(shù)極低的鈑金加強(qiáng)條對(duì)面板進(jìn)行加強(qiáng)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(jìn)一步得到優(yōu)化,可知材料性能差異對(duì)改善熱變形效果更優(yōu)。

表3 各方案變形數(shù)據(jù)

5 方案迭代優(yōu)化

5.1 加強(qiáng)條材質(zhì)

方案四采用鈑金加強(qiáng)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(mǎn)足產(chǎn)品需求,因此需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

以方案四為對(duì)比基準(zhǔn),其它條件保持不變,選取鋁合金和不銹鋼作為加強(qiáng)條材質(zhì)進(jìn)行數(shù)值仿真分析。不同材質(zhì)面板邊緣均分點(diǎn)變形曲線(xiàn)如圖11所示,變形數(shù)據(jù)見(jiàn)表4?？梢?jiàn)整體熱變形形態(tài)基本不變,由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)相比其它材質(zhì)大,因此整體熱變形量更大,增幅達(dá)到25.3%。不銹鋼熱膨脹系數(shù)與鈑金接近,但彈性模量更高,同截面情況下剛度更大,相對(duì)抗變形能力也更強(qiáng),因此熱變形量最小,降幅為27.3%,優(yōu)化效果明顯。

▲圖11 不同材質(zhì)加強(qiáng)條面板邊緣均分點(diǎn)變形曲線(xiàn)

表4 不同材質(zhì)加強(qiáng)條變形數(shù)據(jù)

考慮到不銹鋼材料延展性相對(duì)較好,可以預(yù)測(cè)面板熱變形后回彈能力表現(xiàn)也會(huì)更好,因此采用不銹鋼加強(qiáng)條為更優(yōu)選擇。

5.2 加強(qiáng)條截面

針對(duì)不銹鋼加強(qiáng)條截面對(duì)面板熱變形影響,按單因子變量對(duì)不同截面形狀進(jìn)行優(yōu)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(qiáng)條截面面板邊緣均分點(diǎn)變形曲線(xiàn)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(duì)應(yīng)相似,說(shuō)明截面剛度和抗熱變形能力對(duì)應(yīng)接近。不同加強(qiáng)條截面變形數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。相比截面A,截面B的優(yōu)化效果有限,峰值相差不大。而截面C和D的優(yōu)化效果明顯,d1點(diǎn)最大值由3.19 mm減小至2.09 mm,降幅達(dá)到34.5%,已完全滿(mǎn)足產(chǎn)品使用要求。

▲圖12 加強(qiáng)條截面▲圖13 不同加強(qiáng)條截面面板邊緣均分點(diǎn)變形曲線(xiàn)

表5 不同加強(qiáng)條截面變形數(shù)據(jù)

6 面板熱變形試驗(yàn)

綜合數(shù)值仿真分析結(jié)果,采用不銹鋼作為面板加強(qiáng)條材質(zhì),選取熱變形量最小的截面C和D制作加強(qiáng)條試驗(yàn)樣品。塑料面板材質(zhì)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(duì)應(yīng)截面C和D。面板安裝于空調(diào)中,調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室溫度為40 ℃,模擬環(huán)境室溫,空調(diào)開(kāi)啟最低制冷模式,實(shí)測(cè)出口面板區(qū)域氣流溫度約10 ℃。采用高精度測(cè)量?jī)x每隔2 min測(cè)量全域風(fēng)模式面板上邊緣兩測(cè)點(diǎn)d1和d8的變形量,總測(cè)試時(shí)間為20 min。

試驗(yàn)樣品測(cè)點(diǎn)變形數(shù)據(jù)試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比見(jiàn)表6。從表6中可以看出,實(shí)測(cè)值均略高于仿真值,但偏差范圍在2.4%～8.2%之間,趨勢(shì)基本相同,說(shuō)明數(shù)值仿真方法可以為面板熱變形優(yōu)化提供參考。

表6 試驗(yàn)樣品測(cè)點(diǎn)變形數(shù)據(jù)對(duì)比

試驗(yàn)樣品測(cè)點(diǎn)變形曲線(xiàn)如圖14所示。由圖14可知,變形最大值出現(xiàn)在空調(diào)啟動(dòng)后2～5 min,之后逐漸趨于平緩。這是因?yàn)閱?dòng)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(dá)到峰值。隨著面板內(nèi)部溫度傳遞趨于平緩,面板前后方向溫差慢慢達(dá)到穩(wěn)定,變形量逐漸減小并達(dá)到平衡。

▲圖14 試驗(yàn)樣品測(cè)點(diǎn)變形曲線(xiàn)

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)空調(diào)面板熱變形行為進(jìn)行研究及優(yōu)化,建立全域風(fēng)空調(diào)面板熱變形數(shù)值仿真模型,對(duì)比四個(gè)方案的最大熱變形。在面板背面固定鈑金加強(qiáng)條,熱變形量可減小48.8%,因此選取這一方案對(duì)面板熱變形進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。通過(guò)對(duì)加強(qiáng)條材質(zhì)和剛度的細(xì)化設(shè)計(jì),得到滿(mǎn)足產(chǎn)品使用要求的最終面板結(jié)構(gòu)。數(shù)值仿真結(jié)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(duì)兩種面板加強(qiáng)條結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,試驗(yàn)值與仿真值偏差范圍在2.4%～8.2%之間,驗(yàn)證了數(shù)值仿真結(jié)果的可靠性,并得出面板熱變形最大值出現(xiàn)在空調(diào)啟動(dòng)后2～5 min。隨著面板溫差達(dá)到穩(wěn)定,變形量趨于平緩,并達(dá)到平衡。