基于CAE的冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與外包裝方案優(yōu)化

謝玉兵 等

摘 要：CAE又稱為計算機輔助工程，也就是通過虛擬分析的方法來模擬結(jié)構(gòu)的性能，從而對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，能夠解決實際的工程問題，指導(dǎo)產(chǎn)品的研發(fā)。本文對基于CAE的冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與外包裝方案進行了分析和優(yōu)化，從而有效地提高外包裝對冰箱產(chǎn)品的防護能力，降低產(chǎn)品成本。

關(guān)鍵詞：CAE；冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；外包裝方案

使用CAE軟件能夠?qū)a(chǎn)品包裝設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不足查找出來，從而有效的對其進行優(yōu)化。在冰箱的總成本中，包裝占了很大的比例，但是卻沒有起到應(yīng)有的效果。電冰箱的包裝質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的開箱合格率和損壞率，如果能夠?qū)Ρ涞陌b質(zhì)量進行改善，則能夠有效地降低產(chǎn)品的維修成本和運輸損壞率。

1 基于CAE的冰箱左右側(cè)墊包裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

沖擊和戳穿是冰箱左右側(cè)的主要破壞形式，可以使用橫木撞擊實驗在實驗室對其進行測試。冰箱的外包裝材料為EPS泡沫和紙箱，冰箱的結(jié)構(gòu)件材料為PU發(fā)泡層、ABS、冷軋鋼板。紙板的耐破強度為1.765MPa，法向E為100MPa；垂直瓦楞的方向E為25MPa，沿瓦楞方向E為10MPa，因此最終E為1.3MPa。冰箱包裝件的包裝板的瓦楞方向和包裝間的結(jié)構(gòu)方向改變之后，能夠?qū)ν鈦淼臎_擊能力進行抵抗[1]。根據(jù)CAE技術(shù)，應(yīng)該在能夠抵抗外來沖擊的基礎(chǔ)上盡量節(jié)約材料的用量。

①戳穿CAE分析。共有4種方案分析冰箱側(cè)墊結(jié)構(gòu)的紙板箱結(jié)構(gòu)：縱向和橫向的瓦楞板配合長圓孔和圓孔。對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行改變，使用CAE軟件來分析和評價戳穿，從而對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。中部開孔部位是測電最薄弱的區(qū)域，分別承受的頂荷載為20×60、20×40、20×20，區(qū)域均布荷載為250N。②橫木撞擊CAE分析。冰箱在遭受橫木撞擊之后不得出現(xiàn)機械變形和損傷，使用100×100的橫木在相距1米處對冰箱進行撞擊。橫向直板和縱向直板都能夠通過撞擊實驗，根據(jù)分析結(jié)果，只要合理的搭配內(nèi)泡沫墊和包裝紙板箱，就能夠承受橫木撞擊，提高產(chǎn)品的抵抗能力，并且節(jié)省材料用量。

2 基于CAE的冰箱前后墊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

改變紙箱瓦楞的縱向方向，將其改為橫向方向。原有的前后墊寬度為400mm，現(xiàn)改進為200mm，原有的厚度為10mm，現(xiàn)在加到18mm，減少了5.7%的材料用量。經(jīng)過CAE分析，改進冰箱前后墊方案之后，其能夠與泡沫進行更好的配合，有效地提高了其抵抗外來沖擊的能力，順利通過了橫木撞擊試驗。以此為基礎(chǔ)分析和改進了抵抗戳穿的能力，改進之后能夠?qū)﹂T體進行更好的保護[2]。

3 基于CAE的冰箱側(cè)板變形加強板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

分析和對比側(cè)板可以發(fā)現(xiàn)，由于生產(chǎn)制造和結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不足，側(cè)板在運輸和發(fā)泡的過程中容易出現(xiàn)變形。

①側(cè)板發(fā)泡過程中的受力。以已知條件為根據(jù)，對各邊界條件進行定義。固定側(cè)板底部側(cè)板上端會產(chǎn)生位移，這是由發(fā)泡磨具的精度誤差造成的，位移約為0.5-1mm。將發(fā)泡塑料產(chǎn)生的壓力施加在側(cè)板大平面上，最后產(chǎn)生了0.1mm的最大變形量。這充分說明側(cè)板變形會受到發(fā)泡模具精度的影響。②分析后底板海綿的影響作用。海綿可以避免冰箱發(fā)泡后底板露出泡料，因此，側(cè)板的變形會受到海綿用量的影響。例如單層海綿的情況下，其最大變形量能夠達到0.1275mm，逐漸增加海綿的層數(shù)之后，變形量也會隨之增大，最后達到0.2mm。因此海綿的厚度作用和后底板裝配尺寸鏈都會影響側(cè)板變形。③分析加強鐵不到位裝配的影響。在實際裝配中，加強鐵如果存在裝配不到位的現(xiàn)象，也會對側(cè)板變形造成影響。例如假設(shè)側(cè)板下翻邊的間隙為2mm，固定側(cè)板和發(fā)泡層的接觸部位，箱體自重荷載由側(cè)板底部承受。通過計算發(fā)現(xiàn)，側(cè)板壓縮機艙部位會產(chǎn)生0.616mm的變形量。這充分說明側(cè)板變形會受到加強鐵裝配不到位的影響[3]。④分析加強鐵的結(jié)構(gòu)。通過CAE軟件，對不同結(jié)構(gòu)的加強鐵和加強板的組合進行棱跌落、角跌落、平跌落分析，能夠?qū)⒑侠淼募訅w結(jié)構(gòu)確定下來。通過比較發(fā)現(xiàn)，加強鐵如果不能進行可靠的固定，就會造成跌落中的串動，從而引起側(cè)板變形。通過計算發(fā)現(xiàn)加強鐵的最大變形量是1.225mm，因此要抵抗冰箱角跌落的沖擊，就應(yīng)該在冰箱的后底板上支撐可靠的加強鐵。

要避免冰箱的前角變形的情況，就應(yīng)該將加強鐵前端的缺口取消，并且對加強鐵進行可靠的裝配，使其能夠抵抗腳跌落的沖擊，保障結(jié)構(gòu)的可靠性。

4 基于CAE的冰箱底部跌落優(yōu)化

①分析冰箱的底部結(jié)構(gòu)。在冰箱跌落的過程中，底墊會與壓縮機托板滾輪內(nèi)側(cè)進行接觸，從而產(chǎn)生一定的反力，造成托板的變形。因此，應(yīng)該設(shè)置至少15mm的底墊平面避空。冰箱的前墩角在跌落的過程中會產(chǎn)生大約10mm的底墊壓縮量，并與泡沫產(chǎn)生接觸，從而造成前端腳承受的反作用力較大。②分析冰箱的組合底墊結(jié)構(gòu)。組合底墊不僅要能夠抵抗冰箱沖擊跌落的能力，而且還要盡量降低底墊成本。根據(jù)CAE軟件的分析，可以適當(dāng)?shù)脑黾拥讐|泡沫和支撐柱零件組合，支撐柱能夠產(chǎn)生24MPa的應(yīng)力，從而有效的抵抗冰箱的沖擊跌落。

5 基于CAE的冰箱頂部承載優(yōu)化

使用CAE軟件對冰箱頂部進行分析，主要是為了找出頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題。CAE軟件能夠?qū)Ρ涞难b卸、搬運和運輸過程進行模擬，頂部的抗拉強度最小值為18MPa，在運輸和裝卸過程中頂蓋會產(chǎn)生10.95MPa，而在低溫下材料的抗沖擊強度僅為2MPa。因此，如果要在冬天對冰箱進行運輸和裝卸，頂部邊緣很容易出現(xiàn)破損，應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾优菽瓑|。

6 結(jié)語

CAE軟件在家用電器的開發(fā)設(shè)計中用的比較普遍，能夠為家電企業(yè)提供有效的技術(shù)優(yōu)化方案，通過對冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與外包裝方案的優(yōu)化，將包裝紙箱的瓦楞方向改為橫向，減少了冰箱外包裝前后墊10%的泡沫材料用量，不僅能夠有效地拓寬原材料的供應(yīng)渠道、降低對冰箱生產(chǎn)設(shè)備的要求，還能夠減少冰箱結(jié)構(gòu)件的金屬材料用量。

參考文獻：

[1]韓艷艷，于智宏.基于Moldflow的臺面框注塑模冷卻系統(tǒng)分析[J].河南機電高等專科學(xué)校學(xué)報，2011（05）.

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[3]王巍，易學(xué)滿，陳文琳.影響冰箱抽屜表觀質(zhì)量的成型工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（12）.