房车空调顶盖抗冰雹冲击动力响应研究.pdf

332 2023中国家电科技年会论文集0 引言近年来，房车出行成为一种越来越流行的旅行方式1。因为目的地的多样性及房车长途旅行的普及性，房车在行驶过程中可能会遭遇各种极端天气，如沙尘暴、冰雹等，几乎全国各地都发生过冰雹灾害，冰雹年发生概率最大的西北部地区达到90%2。对于家电行业中房车空调这一细分产品而言，房车顶部的房车空调在冰雹天气时容易受到冰雹冲击。房车空调的蒸发器、压缩机、管路及风道部件安装在底盘上，底盘安装在房车顶部钣金，整个空调的内部构件上方存在顶盖，起到一定的保护作用。如果设计过程中不考虑房车空调的抗冰雹冲击性能，房车空调顶盖作为塑料件可能在冰雹冲击下变形乃至破碎，不仅影响外观美观性，还可能在破坏后无法保护内部零件的安全，影响房车空调的正常运行。目前，国内对冰雹冲击的影响主要集中于车窗玻璃和飞机蒙皮等，陈曦等针对冰雹冲击轨道客车侧顶窗玻璃的实际问题和潜在风险，使用有限元方法校核了轨道客车侧顶窗玻璃的抗冰雹冲击的性能3；孟卓等建立了冰雹的有限元（FE）模型，任意拉格朗日-欧拉（ALE）模型和光滑粒子流体动力学（SPH）模型，通过仿真结果与试验结果的对比，论证了三种模型仿真结果的准确性，从而使用光滑粒子流体动力学（SPH）模型模拟冰雹撞击飞机发动机进气道的过程4。对于冰雹冲击房车空调顶盖所造成的影响，国内尚未有研作者简介：俞树文，硕士学位。研究方向：机械设备仿真。E-mail：。房车空调顶盖抗冰雹冲击动力响应研究俞树文 张永召 赵帅 金跃迁广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311摘 要：为解决房车空调顶盖的抗冰雹冲击问题，建立了房车空调顶盖和冰雹的有限元模型，论证了使用有限元方法进行模拟冰雹冲击方法可行且结果可信，使用LS-DYNA软件，综合房车行驶速度、冰雹自由落体速度、冰雹和顶盖自身机械性能等因素影响，通过仿真分析研究，给出了不同冲击点位置下的响应，应力极大值出现在冲击点区域，两个冲击位置及两个车辆速度下冲击点最大应力为21.02 MPa，小于材料的屈服强度，不会产生塑性应变，房车空调顶盖结构安全，满足设计要求。关键词：房车空调；冰雹冲击；动力响应；仿真分析Research on the dynamic response of RV air conditioner top cover against hail impactYU Shuwen ZHANG Yongzhao ZHAO Shuai JIN YueqianGuangdong Midea Refrigeration Equipment Co.,Ltd.Foshan 528311Abstract:In order to solve the problem of hail impact resistance of the RV air conditioner top cover,a finite element model of the RV air conditioner top cover and hail is established,and the finite element method for simulating hail impact is feasible and the results are reliable.By using LS-DYNA software,considering the impact of driving speed of the RV,the speed of hail,the mechanical properties of hail and the cover,and through simulation analysis,the response at different impact point positions is given.The maximum stress appeared in the impact point area,the maximum stress at the impact point at two impact positions and two vehicle speeds is 21.02 MPa,which is less than the yield strength,the RV air conditioner top cover is safe and meets the design requirements.Keywords:RV air conditioner;Hail impact;Dynamic response;Simulation analysis中图分类号：TB657.2 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.075 3332023中国家电科技年会论文集究人员开展相应研究，可以看出，本文研究冰雹的冲击对房车空调的影响有重要意义。本文以某款房车空调的顶盖为例，结合实际工程要求，使用仿真分析的方法，模拟房车静止状态和行驶中的房车空调受冰雹冲击的过程，校核房车空调顶盖的抗冰雹冲击性能。1 有限元模型1.1 模型单位体系本文使用显式有限元商用软件LS-DYNA软件对冰雹冲击进行仿真分析。软件中采用的单位体系见表1。表1 冰雹-10下的性能参数物理量长度质量时间力单位mmkgsN1.2 有限元方法验证现有冰雹冲击研究中一般采用显式有限元商用软件LS-DYNA建立冰雹的三种数值模型，分别为拉格朗日模型、ALE模型和SPH模型4。文献中对三种模型仿真冲击结果与英国皇家飞行器试验机构的试验结果进行了对比，对于半径约为12.70 mm的冰雹，以192 m/s的初速度撞击铝合金正方形板，测试板四周用铆钉固定，如图1所示。图1 试验测试板相较于其他的冰雹模型，有限元模型的板中心变形最大位移和试验测得的变形最大位移的相对误差最小，具体结果见表2。因此，采用有限元方法进行模拟冰雹冲击方法可行且结果可信。1.3 冰雹模型本文中房车速度相较于飞机、高铁等交通工具较小，冰雹的有限元模型网格不会发生剧烈畸变，因模型较小，求解速度在可接受范围内，且拉格朗日方法误差小，因此建立冰雹的有限元模型。在高速情况下，冰雹冲击通常表现为粉碎性撞击，此时冰雹经冲击变形后会展现出流体特性。冰雹的有限元（FE）模型选用带失效模式的弹塑性材料，材料参数如表3所示3。表3 弹塑性材料参数3物理量密度（kg/m3）杨氏模量（MPa）泊松比压缩截断压力（MPa）张力切断压力（MPa）数值896.8393100.334.930.431.4 房车空调顶盖模型本文中的某款房车空调的顶盖的材料为PP改性料，相较于PP原材料，PP改性材料具有更优的刚性和抗冲性能5,6。顶盖的有限元（FE）模型选用线性各向同性的弹塑性材料，顶盖材料参数如表4所示。表4 PP改性顶盖材料的性能参数物理量密度（kg/m3）杨氏模量（MPa）泊松比屈服强度（MPa）断裂延伸率（%）数值120017000.4232761.5 仿真分析模型模型中房车空调顶盖和冰雹采用四面体单元建模，网格尺寸为3 mm。冰雹与顶盖之间设置通用接触。完成后模型如图2所示。图2 冰雹冲击房车空调顶盖有限元模型底盘安装在房车顶部钣金上，顶盖与底盘通过螺钉连接，对顶盖螺钉孔位置进行固支约束。应力波以反射的形式返回顶盖，会增加顶盖的内应力，比实际工况更为严格考核。为校核房车空调顶盖的冰雹冲击动力响应性能，选择结构薄弱的冲击点进行仿真。本文选择2处冲击点：（1）顶盖在固支约束共振响应下的变形区域；（2）顶盖与其他结构距离最小位置。其他结构表2 数值模拟结果与试验结果对比最大位移（mm）相对误差（%）试验测试11.20/有限元模型11.250.4ALE模型11.704.0SPH模型11.280.7334 2023中国家电科技年会论文集刚体建模。冲击点示意图如图3所示。1.6 仿真分析工况考虑汽车在行驶状态下自身速度对结果的影响，对房车处于静止和40 km/h的行驶速度两种工况进行分析。冰雹受重力和空气阻力匀速落地，此时重力大小等于空气阻力2。冰雹终端速度如下：（1）式中，C为空气阻力系数，常数，根据相关研究，计算冰雹的终端速度时，空气阻力系数最佳拟合取值为0.6；1为空气密度，大小为1.23 kg/m3；2为冰雹密度，大小为896.83 kg/m3；d为单个冰雹直径，这里取值40 mm；g为重力加速度，大小为9.81 m/s27。根据周超的研究，当冰雹粒径达到40 mm时，为保证车辆安全，应及时采取安全措施，如减速、停车等；而当冰雹粒径大于4 cm时，应立即驶入庇护处停车，防止其遭受冰雹冲击的损坏8。综合以上所述，本文选用冰雹直径为40 mm。因此，根据以上取值进行公式计算，直径为40 mm的冰雹，理论终端速度为25.22 m/s。2 数值模拟结果及其分析2.1 房车空调顶盖抗冰雹冲击性能校核房车空调顶盖为外观件，塑性变形会影响外形美观，因此要求最大应力小于屈服强度。对两个冲击位置及两个车辆速度下冰雹冲击房车空调顶盖进行数值模拟仿真，房车空调顶盖各工况下的最大应力结果如表5所示。对于冰雹冲击顶盖模态最低位置，当房车静止和行驶时，房车空调顶盖的Von-Mises应力云图如图4和图5所示。对于冰雹冲击顶盖模态最低位置，当房车静止和行驶时，冲击点周围区域的应力值要远大于其他区域，应力极大值出现在冲击点区域，远离冲击点的区域应力逐渐减小，冲击过程中应力分布表现为冲击点和固定点位置的应力集中。冰雹与房车空调顶盖的撞击过程非常短，约1.5 ms左右。变形最大点在撞击中心，大小为6.52 mm。冲击点最大应力均小于屈服强度，无塑性应变，结构安全。对于冰雹冲击顶盖上与其他结构距离最小位置，当房车静止和行驶时，房车空调顶盖的Von-Mises应力云图如图6和图7所示。顶盖最大应力均小于屈服强度，无塑性应变，且顶盖在冰雹冲图3 冰雹冲击房车空调顶盖冲击点表5 顶盖各工况下的最大应力工况模态最低位置（MPa）顶盖与其他结构距离最小位置（MPa）房车静止20.9520.34房车行驶21.0220.26图5 房车行驶冰雹冲击顶盖模态最低位置时房车空调顶盖的Von-Mises应力云图图4 房车静止冰雹冲击顶盖模态最低位置时房车空调顶盖的Von-Mises应力云图图6 房车静止冰雹冲击与其他结构距离最小位置时房车空调顶盖的Von-Mises应力云图图7 房车行驶冰雹冲击与其他结构距离最小位置时房车空调顶盖的Von-Mises应力云图 3352023中国家电科技年会论文集击下会碰到后围板，触碰时间短，应力小，结构安全。2.2 顶盖塑性变形工况假设冰雹能使得顶盖产生塑性变形，计算出直径40 mm冰雹所需的最小冲击速度，可对产品的抗冰雹冲击性能进一步了解，用于指导房车空调顶盖产品设计，同时可用于产品上市宣传中抗冰雹冲击性能的描述。针对上一轮中应力最大的工况，房车行驶中冰雹冲击顶盖模态最低位置，当冰雹的冲击速度达到40 m/s，冰雹冲击房车空调顶盖，最大应力超过屈服应力，房车空调顶盖产生塑性变形影响外观。房车完全暴露在极端天气的工况较少，自然界中40 mm直径以上的冰雹较少，且需要很大的速度才能使顶盖产生塑性变形，因此，某款房车的顶盖具有良好的抗冰雹冲击性能，满足设计要求。3 结论基于某款房车空调的顶盖，结合实际工况，使用方法可行且结果准确的结构动力学有限元仿真手段，在早期设计阶段，对房车空调受冰雹冲击的过程进行了数值模拟，校核房车空调顶盖的抗冰雹冲击性能，并研究了顶盖的塑性变形工况，得到如下结论：（1）随着冰雹动能的增加，顶盖上的应力越大，冲击点周围区域的应力值要远大于其他区域，应力极大值出现在冲击点区域；（2）两个冲击位置及两个车辆速度下冲击点最大应力均小于屈服强度，无塑性应变，房车空调顶盖结构安全；（3）直径40 mm的冰雹以40 m/s下坠速度冲击顶盖，顶盖受冲击点附近会出现塑性变形，此速度是冰雹到达地面速度的1.6倍；（4）仿真结果表明，某款房车的顶盖具有良好的抗冰雹冲击性能，满足设计要求。参考文献1 王灏.露营热，汽车行业的机会在哪里J.汽车纵横,2022(07):85-87.2 丁敏,施旭栋,周蕊,等.冰雹冲击下温室玻璃破损情景数值模拟J.农业工程学报,2012,28(01):202-207+298.3 陈曦,张小俊,黄博文,等.轨道客车侧顶窗玻璃抗冰雹冲击仿真分析J.中国建材科技,2021,30(05):16-18.4 孟卓,孙秦.冰雹的数值模拟方法初探J.航空计算技术,2009,39(01):22-26.5 麦剑章,林勇强.PP复合材料解决家用空调热涨冷缩噪声的研究J.家电科技,2018(06):52-53.6 吴宗科,贾丽.改性PP材料在冰箱端盖上的应用研究A/中国家用电器协会.2021年中国家用电器技术大会论文集C.电器杂志社,2021:301-304.7 DIELING C,SMITH M,BERUVIDES M.Review of impact factors of the velocity of large hailstones for laboratory hail impact testing considerationJ/OL.Geosciences,2020,10(12):500.8 周超.基于ANSYS的冰雹灾害风险评估与模拟方法研究D.天津:南开大学,2011.