基于有限元分析的冰箱中梁組件優(yōu)化設(shè)計

圣 潔 湯申杰 陳 俊 王 姣

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著生活水平的提高，用戶對冰箱間室分區(qū)要求越來越高，多門冰箱也就因勢而出，而中梁作為冰箱產(chǎn)品的主干結(jié)構(gòu)，關(guān)系著冰箱各個間室門的密封性和同面度。

而在實際的冰箱產(chǎn)品的生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)因為中梁的變形導(dǎo)致各個間室門存在密封不嚴或者平整度不高的現(xiàn)象，進而導(dǎo)致冰箱凝露或者外觀品質(zhì)降低[1]。因此如何合理經(jīng)濟的加強中梁強度，減少中梁變形問題成為迫切需要解決的問題。

本文簡述冰箱中梁組件優(yōu)化設(shè)計的研究，利用有限元對中梁組件進行靜力學(xué)分析，模擬中梁在實際冰箱裝配中的變形情況，借此判斷冰箱中梁組件的強度薄弱點和變形的根本原因。

1 冰箱中梁結(jié)構(gòu)分析

冰箱中梁為冰箱的主要支撐結(jié)構(gòu)，其連接了冰箱箱體和門體，在冰箱使用過程中，作為主要承重結(jié)果承載著門體的開關(guān)過程。如圖1所示為某四門冰箱，該四門冰箱中梁位于冰箱中部，是固定門體的支撐結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，中梁的結(jié)構(gòu)及剛強度不但影響左右對開兩個間室門的平整度，也影響上下兩個間室門的平整度。

圖1 中梁結(jié)構(gòu)

中梁對間室門的裝配細節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1（b）及圖1（c）所示（中梁結(jié)構(gòu)左右對稱），中合頁用螺釘+螺栓固定在箱體上，用以支撐冰箱各個間室門體。而為加強中梁固定門體后的平整度，中梁背面焊有加強板，如圖1（d）所示，加強板為門體固定后的受力結(jié)構(gòu)，其強度對各間室門體的平整度有很大影響。

2 模型的建立

有限元模型通常包含離散化的幾何模型、單元特性、材料屬性、載荷和邊界條件、分析類型以及輸出結(jié)果。

2.1 離散化幾何模型

離散化即將用有限個單元逼近復(fù)雜的幾何形狀，通常單元數(shù)量越多，密度越大，計算精度就越高。但單元數(shù)量的增加對計算機硬件的要求也越高，計算時間也越長。為了兼顧計算精度和計算量，通常對模型進行必要的簡化，針對本文中的冰箱中梁結(jié)構(gòu)進行以下簡化：

1）刪除不影響結(jié)構(gòu)強度的圓角、螺紋孔等特征；

2）螺釘連接采用梁單元模擬。

采用Hex Dominant網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示，劃分完成后單元數(shù)量為102 900，節(jié)點數(shù)量為495 941。

圖2 中梁有限元模型

2.2 材料屬性

中梁、合頁以及加強板的材料屬性見表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

2.3 邊界條件及載荷條件

中梁組件通過中梁左右側(cè)四個固定孔固定，單側(cè)門重量為10 kg，通過重力和力矩加載在合頁上。

3 有限元分析

根據(jù)上述方式定義模型并進行分析計算后，可得到中梁組件的變形云圖信息，通過此信息可以判斷強度薄弱區(qū)域及其變形尺寸，如圖3所示。

圖3 中梁組件變形云圖

通過變形云圖可知，中梁組件的最大變形為0.68 mm，此變形量已超過工藝允許范圍，導(dǎo)致門最遠端產(chǎn)生下墜，影響冰箱的外觀及使用性。

4 優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)有的中梁加強基本采用增加中梁或者加強板壁厚來提高強度，但是改進后效果不明顯但成本增加較多。

而根據(jù)中梁組件的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)加強了受力較大區(qū)域為合頁的螺釘及螺栓固定處，而合頁螺栓固定于加強板上，但螺釘固定處沒有加強板結(jié)構(gòu)。因為原加強板在合頁固定處只有中間兩顆螺栓參與連接，而在螺釘固定處合頁僅固定在中梁上，因中梁壁厚較薄，強度不夠。因此如何將合頁固定于加強板上，使加強板與合頁多一個螺釘固定，合頁受力時，螺釘固定處結(jié)構(gòu)也是著力于加強板上而不是直接著力于中梁上。

此更改主要對加強板的結(jié)構(gòu)形式進行改進設(shè)計，增加加強板及其與中梁、合頁的連接剛度，如圖3所示為加強板改進前后的結(jié)構(gòu)形式。

圖3 加強板改進前后對比

改進前中梁組件與門框通過中梁連接，改進后直接通過加強板與門框連接，對改進后的結(jié)構(gòu)形式進行有限元分析，優(yōu)化后對中梁組件變形云圖如圖4所示。數(shù)據(jù)顯示改進后中梁最大變形為0.38 mm，較優(yōu)化前變形量減少了0.3 mm，改善明顯。

圖4 改進后中梁組件變形云圖

5 實驗驗證

為實際驗證有限元分析結(jié)果是否正確，針對更改前后的加強板狀態(tài)各抽檢了十臺樣本冰箱，針對兩種開關(guān)門方式對各個間室門不同面尺寸進行測量對比，更改前結(jié)果如圖5所示，更改后結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過實際測量對比，與有限元分析后的結(jié)果對比基本一致。

圖5 改進前門不同面數(shù)據(jù)

圖6 改進后門不同面數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文以冰箱中梁組件為研究對象，采用有限元軟件對冰箱梁合頁組件進行應(yīng)力分析，再結(jié)合實際實驗驗證，證明了有限元分析的合理性。同時說明有限元分析梁祖建結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力和箱體變形的方向與實際情況相符，可以為后期冰箱其他零部件優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)提供參考。通過有限元分析，可以減少零部件在實際開發(fā)過程中的周期，提高產(chǎn)品競爭力。