基于有限元分析的冰箱端蓋數(shù)值分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

郭剛 孔冬 張丁 許錦潮 游飛越 王武新

（海信容聲（廣東）冰箱有限公司 廣東順德 528303）

1 引言

冰箱門體是冰箱的重要部件，而門端蓋(又稱門體堵頭、門定位板等)是冰箱門體的主要構(gòu)件，是冰箱門體質(zhì)量和性能的主要影響因素之一。據(jù)市場反饋，由于物流環(huán)境的復(fù)雜性，環(huán)境的變化會導(dǎo)致冰箱門端蓋出現(xiàn)收縮變形甚至是發(fā)生裂紋產(chǎn)生，嚴(yán)重影響了冰箱質(zhì)量與品牌形象。冰箱門端蓋一般都由ABS注塑成型，門體組裝及門體發(fā)泡過程中會使門端蓋存在預(yù)應(yīng)力，為了防止門端蓋在較低溫度環(huán)境下開裂，冰箱在出廠前需做高低溫沖擊試驗。冰箱在做高低溫沖擊試驗（高溫環(huán)境、低溫環(huán)境的交替作用）時有的門端蓋會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象(如圖1所示)，并作為門端蓋是否合格的重要判定標(biāo)準(zhǔn)。

冰箱門端蓋在低溫環(huán)境下開裂是由于溫度變化后,門體各零部件材料收縮膨脹不一致（如門面板，HIPS內(nèi)膽，聚氨酯發(fā)泡層，門端蓋等）,導(dǎo)致門端蓋局部應(yīng)力應(yīng)變加大以及局部應(yīng)力集中時發(fā)生的。解決門端蓋在低溫環(huán)境下開裂一般有兩種措施,一是增加門端蓋材料韌性,二是優(yōu)化門端蓋結(jié)構(gòu)以松弛門端蓋的應(yīng)力水平。本文重點是借助有限元數(shù)值分析手段和應(yīng)力應(yīng)變測試儀器，從優(yōu)化門端蓋結(jié)構(gòu)來解決冰箱門端蓋在低溫環(huán)境下開裂的問題。

有限元等數(shù)值方法，在冰箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮著重要的作用，日益受到冰箱研發(fā)人員的青睞。本文采用有限元分析軟件，對冰箱門體和門端蓋的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析和優(yōu)化。

2 門體及其門端蓋的有限元模型

冰箱塑料門端蓋裝配在冰箱門上下兩端,經(jīng)過裝配發(fā)泡后固定在門體上。冰箱門體部件由幾個部分組成：門面板、門內(nèi)膽、上下門端蓋、泡層(如圖2所示)。本文所研究的門端蓋模型是BCD-268型號冰箱的冷凍門。門體和門端蓋的幾何模型為簡化模型，取消了各圓角和弧度；由于門體左右對稱，為了減小計算量，門體和門端蓋的模型只取半邊上半部分。

在前處理中，冰箱門體的內(nèi)膽和門面板使用殼體單元，門端蓋和泡層為結(jié)構(gòu)化的六面體實體單元(圖3)。溫度載荷為從50℃到-30℃的溫度變化,研究門端蓋在穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)下的變形情況與應(yīng)力分布。各零部件分別賦于材料屬性，如表1所示。

3 數(shù)值計算結(jié)果

從圖4可以看出，門端蓋中部的位移最大，而門端蓋開裂的部位也基本上在中部。由于泡層和內(nèi)膽的低溫(-30℃)線膨脹系數(shù)較大，內(nèi)膽的楊氏彈性模量又大，在內(nèi)膽和泡層收縮的共同作用下，門體和門端蓋出現(xiàn)內(nèi)彎，門端蓋中部的熱應(yīng)力增大，見圖4，反映出門端蓋中部的應(yīng)力也較大，但最大應(yīng)力不在中部，門端蓋開裂的位置并非應(yīng)力最大的位置，這說明門端蓋的某個部位是否開裂，不僅取決于該部位的應(yīng)力是否較大，也與該部位的構(gòu)造有關(guān)系，門端蓋的中部雖然不是應(yīng)力最大的部位，但是由于構(gòu)造的原因，熱應(yīng)力超過了此位置所能承受的應(yīng)力強度，最容易開裂的部位。

表1 各零部件材料參數(shù)

4 應(yīng)變測試

為了更直觀的了解門體和門端蓋在低溫環(huán)境下的應(yīng)變情況，我們將門體放入-30℃低溫環(huán)境中測試門端蓋的應(yīng)變，如圖5所示。其中，鋁箔固定的為一塊用于溫度補償?shù)腁BS板。

5 門端蓋加強筋對應(yīng)力的影響

我們發(fā)現(xiàn)門端蓋的加強筋的結(jié)構(gòu)、排布對門端蓋應(yīng)力有較大影響，特別是門端蓋中部的加強筋，若適當(dāng)減少加強筋（圖8），可以減低門端蓋在低溫下的熱應(yīng)力。

通過對幾種門端蓋優(yōu)化結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析、應(yīng)變測試，適當(dāng)減少加強筋，重新設(shè)計排布門端蓋中部的加強筋，可以減小門端蓋在低溫下的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變；而實物試驗的結(jié)果也證實了，減少門端蓋中部加強筋的優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案B沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象（表2）。實物試驗為高低溫沖擊試驗，即：-30℃ 24小時，50℃ 24小時一個循環(huán)，共四個循環(huán)。

表2 門端蓋優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析、應(yīng)變測試結(jié)果

通過對上下門端蓋的數(shù)值模擬，制作實物樣機的高低溫沖擊實驗的驗證以及對幾種方案的進(jìn)行了應(yīng)變的測量，初步確定了該冰箱型號的門端蓋的改進(jìn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方案。

6 結(jié)論

本文主要以冰箱BCD-268冷凍門端蓋為研究對象，應(yīng)用有限元法對門體和門端蓋進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，并通過應(yīng)力應(yīng)變測試進(jìn)行校正，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化修改設(shè)計方案，最終使樣機在高低溫沖擊試驗條件下可以正常使用而不開裂。

各種不同設(shè)計方案的比較。本文突破了傳統(tǒng)的解決門端蓋的方法，本文單純從結(jié)構(gòu)方面，為實例模型設(shè)計幾種不同的方案，每個方案并進(jìn)行了相應(yīng)的制作樣機來進(jìn)行高低溫沖擊實驗驗證，通過對比以上各方案的優(yōu)劣與實驗結(jié)果，制定了最終的優(yōu)化設(shè)計方案，為了更進(jìn)一步地驗證方案的可行性與可靠性，并重新對最后的結(jié)果作了分析，對各個方案有選擇的進(jìn)行了應(yīng)變的測量，從結(jié)果對比可知，測量結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，驗證了它的可靠性。

在門端蓋的設(shè)計中，應(yīng)考慮盡量減小熱應(yīng)力，減少門端蓋中部的加強筋，可使門端蓋的熱應(yīng)力降低，并在工藝裝配過程中注重間隙配合，減小結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力，從而減少門端蓋開裂的可能性。

[1]張德海，秦玉濤.冰箱門體堵頭的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[J].《機械制造》2009.5:23-25

[2]孔冬,許錦潮,姚小虎等.有限元方法在冰箱箱體設(shè)計中的應(yīng)用[J].《家電科技》, 2011.6: 64-66.

[3]許錦潮,孔冬,姚小虎,游飛越.冰箱箱體制冷狀態(tài)下的有限元分析[J].《順德職業(yè)技術(shù)學(xué)報》(2011.3:7-9).

[4]孔冬,游飛越,許錦潮等.冰箱冷藏蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].《家電科技》2011.12:72-73

[5]郭剛,游飛越,孔冬等.基于數(shù)值分析的冰箱門體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[C].《2011年中國家用電器技術(shù)大會論文集》，2011:58-62.