基于有限元仿真的冰箱門體熱應(yīng)力分析

張衛(wèi)衛(wèi) 張魁倉 鮑 敏

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

冰箱門體是通過多個零部件拼接并填充發(fā)泡劑進行發(fā)泡制造而成，是冰箱的重要組成部分，其外觀直接影響冰箱質(zhì)量的優(yōu)劣。門體在進行發(fā)泡時溫度在50 ℃左右，而室溫低于發(fā)泡溫度，尤其冬天室溫更低，發(fā)泡前后溫度的突變將會導致門體收縮變形，甚至開裂。冰箱門體通過門封條將冰箱內(nèi)部與外部進行隔離，其內(nèi)外溫差使門體溫度分布不均，且門膽、門殼、門飾條等不同材料零部件隨溫度變化收縮變形也不同，導致門體內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，在一定條件下會發(fā)生變形甚至開裂。門體較大變形或產(chǎn)生裂紋都是不合格產(chǎn)品，這對門體生產(chǎn)時的廢品率控制、或著銷售造成嚴重影響。

1 門體模型概述與簡化

門體一般由門殼（彩板或鋼化玻璃）、門飾條、門膽組成空腔，通過填充發(fā)泡液制造而成。本文通過對某型號冰箱彩板門進行溫度場分析，模擬冰箱門體在發(fā)泡過后取至室溫時的變形以及門體高低溫試驗的情況。

門殼采用厚度為0.5 mm的VCM彩板，門飾條采用厚度為2 mm的ABS塑料，門膽采用厚度為1 mm的HIPS塑料，發(fā)泡液材料為聚氨酯由組合聚醚、異氰酸酯按一定比例混合而成，材料參數(shù)見表1[1]。進行熱應(yīng)力分析時，有必要對門體非關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)進行簡化，提高網(wǎng)格質(zhì)量、降低網(wǎng)格數(shù)量，既滿足計算精度同時降低運算時間[2]。簡化模型及網(wǎng)格劃分參見圖1、圖2，其中內(nèi)膽、門殼采用殼單元，飾條、發(fā)泡液采用體單元。

2 門體發(fā)泡冷卻仿真

門體發(fā)泡時，模具溫度可達50 ℃，門體保溫一段時間后從模具取出。正常情況下門體從發(fā)泡完成到取出，門體溫度要高于環(huán)境溫度，內(nèi)外溫差的劇烈變化將導致門體變形，更嚴重者局部會產(chǎn)生裂紋。通過有限元溫度場仿真，分析門體從出模到室溫的變形與應(yīng)力變化，根據(jù)門體驗收標準和材料力學性能，判斷門體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理，以及有針對性的進行優(yōu)化。門體發(fā)泡冷卻設(shè)定溫度從50 ℃至20 ℃變化，采用直接施加溫度場方法。從圖3得出，門體應(yīng)力主要集中在門殼，最大應(yīng)力位于門殼端角為125.7 MPa，其它零部件應(yīng)力均不超過10.5 MPa。從圖4、圖5、圖6可以得出，門體最大變形發(fā)生在四個角處，最大變形位于內(nèi)膽一側(cè)0.733 7 mm，其中X方向最大變形量0.519 mm，Z方向最大變形量0.578 mm。

3 門體高低溫變化仿真

高低溫試驗是保證電冰箱在儲存、運輸過程中溫度因子極其變化條件下的適應(yīng)性和耐抗性。門體在經(jīng)歷從高溫到低溫、低溫再到高溫環(huán)境變化后，應(yīng)保證不發(fā)生飾條、內(nèi)膽開裂等現(xiàn)象。根據(jù)企業(yè)標準Q/MLK 108-2018中高低溫試驗方法，門體需置于冷熱循環(huán)實驗室中，經(jīng)歷冷熱交替變化，試驗過程如圖7所示。通過有限元溫度場仿真，模擬門體高低溫試驗，驗證門體設(shè)計的合理性。門體高低溫變化仿真設(shè)定溫度 20 ℃ ～-40 ℃ ～ 50 ℃ ～ 20 ℃變化，采用直接施加溫度場方法。從圖8、圖9、圖10得出，門體降溫至-40 ℃時，門膽、飾條、門殼最大應(yīng)力分別為8.53 MPa、16.04 MPa、262.3 MPa。從圖11、圖12、圖13得出，門升溫至50 ℃時，門膽、飾條、門殼最大應(yīng)力分別為3.4 MPa、8.63 MPa、64.4 MPa。

表1 門體使用材料參數(shù)

4 仿真數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

從表2可以得出，門體發(fā)泡完成至冷卻的過程中，主要是在長度和寬度方向發(fā)生收縮變形，仿真結(jié)果與實際試驗結(jié)果基本一致，門體變形在允許范圍內(nèi)。在設(shè)計時應(yīng)考慮飾條與門殼之間預(yù)留足夠的間隙，以免門體收縮變形產(chǎn)生裂紋。從表3可以得出，由高溫向低溫轉(zhuǎn)化時，門體產(chǎn)生應(yīng)力最大，主要集中在門殼四個角位置，但在溫度交變過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力均在變形極限以內(nèi)，不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。在設(shè)計時應(yīng)考慮優(yōu)化門殼結(jié)構(gòu)，增強抗彎曲變形能力。

圖1 內(nèi)膽與門殼網(wǎng)格劃分

圖2 飾條與發(fā)泡液網(wǎng)格劃分

圖3 門體應(yīng)力變化云圖

圖4 門體變形云圖

圖5 門體X方向變形云圖

圖6 門體Y方向變形云圖

圖7 冷熱循環(huán)試驗過程圖

圖8 降溫至-40 ℃內(nèi)膽應(yīng)力變化云圖

圖9 降溫至-40 ℃飾條應(yīng)力變化云圖

圖10 降溫至-40 ℃門殼應(yīng)力變化云圖

圖11 升溫至50 ℃內(nèi)膽應(yīng)力變化云圖

圖12 升溫至50 ℃飾條應(yīng)力變化云圖

圖13 升溫至50 ℃門殼應(yīng)力變化云圖

表2 門體發(fā)泡冷卻仿真結(jié)果

表3 門體高低溫變化仿真結(jié)果

5 總結(jié)

本文以一款冰箱門體為研究對象，建立有限元溫度場仿真模型，分析門體發(fā)泡冷卻、高低溫變化過程中的門體變形與應(yīng)力情況。通過對仿真數(shù)據(jù)與試驗對比分析，提出門體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方向。有限元分析方法可以在產(chǎn)品設(shè)計過程中對結(jié)構(gòu)方案合理性進行分析，避免設(shè)計缺陷，降低設(shè)計周期與設(shè)計成本[3]。