聚氨酯硬泡冷卻變形性能對(duì)冰箱門體熱變形影響研究

鄭方圓 韓麗麗 張?jiān)?張升剛 孫啟東

海信冰箱有限公司 山東青島 266071

0 引言

冰箱門體是由門板、上下端蓋、左右邊框以及門膽裝配而成的腔體經(jīng)過填充聚氨酯硬泡后組成的冰箱部件（如圖1所示）。門體有效地將冰箱間室與外界隔離，以保持冰箱內(nèi)外較大的溫差，是冰箱的關(guān)鍵部件之一。在發(fā)泡冷卻過程中，冰箱門體通常會(huì)經(jīng)歷較大的溫度變化（80℃～10℃），導(dǎo)致門體部件產(chǎn)生熱變形。同時(shí)，由于各部件隨溫度降低收縮變形不同，相互作用產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步影響門體變形程度。過大的變形可能會(huì)導(dǎo)致門體彎曲，從而影響冰箱的外觀，還會(huì)影響門體的密封效果，進(jìn)而出現(xiàn)漏冷、凝露等質(zhì)量問題。

圖1 門體結(jié)構(gòu)示意圖

研究人員為抑制門體變形做了大量的研究，陳慶濤[1]借助熱應(yīng)力仿真的方法在發(fā)泡工況和高低溫工況下對(duì)玻璃門體進(jìn)行變形計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱應(yīng)力仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性；張艷玲[2]運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件預(yù)測(cè)門體冷卻變形，并根據(jù)分析結(jié)果提出了合理的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案；魏邦福[3]基于門飾條等截面結(jié)構(gòu)特性，確定門飾條截面的最佳尺寸分布，優(yōu)化了門飾條結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)門體關(guān)鍵部件抗變形能力；洪在地[4]利用有限元軟件MSC.MARC研究門體變形的機(jī)理，提出了改善門板結(jié)構(gòu)減小門體變形的方法并實(shí)驗(yàn)證明該方法的有效性；郭剛[5]基于熱力耦合的有限元方法，利用ABAQUS軟件對(duì)門體變形機(jī)理進(jìn)行研究，并通過內(nèi)膽結(jié)構(gòu)優(yōu)化抑制門體變形；李強(qiáng)[6]基于有限元仿真的方法研究了門體長度和門把手裝配方式對(duì)門變形的影響，同時(shí)提出了一種低成本解決方案；程偉[7]使用正交實(shí)驗(yàn)分析和有限元仿真結(jié)合的方法計(jì)算加強(qiáng)件的長度、寬度和厚度，通過預(yù)埋加強(qiáng)件的方法抑制了門體變形。孫啟東[8]通過CAE仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式，驗(yàn)證了有限元分析的可靠性，并提出了解決門體變形的有效方案。

綜上所述，當(dāng)前研究人員主要通過優(yōu)化門板、門膽及邊框結(jié)構(gòu)和預(yù)埋加強(qiáng)件的方法來減小門體的變形，雖然可以在一定程度上抑制冰箱門體的變形，但制造難度及制造成本也隨之增加。與之相比，部件材質(zhì)的冷卻變形性能作為影響門體變形的關(guān)鍵因素，可通過調(diào)整配方、改進(jìn)加工工藝等方法進(jìn)行調(diào)控，這種方法具有成本低、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。因此，本文借助有限元仿真分析方法，對(duì)冰箱發(fā)泡冷卻工況下的門體變形進(jìn)行仿真模擬，探究了部件不同變形性能對(duì)門體熱變形的影響，為減少門體變形、降低生產(chǎn)成本提供了可借鑒的研究結(jié)果。

1 冰箱門體熱變形理論分析

為了簡化分析，本文將冰箱門體視為由泡層與其他門體部件組成的單向復(fù)合板，泡層和其他部件均視作各向同性材料。當(dāng)冰箱門體在發(fā)泡冷卻過程中，溫度均勻降低，變化前后溫差為ΔT。此時(shí)，門體因溫度降低而收縮變形，圖2為門體變形示意圖。

圖2 門體變形示意圖

根據(jù)熱膨脹公式，門體各部件和泡層的變形量為[7]：

式中：

αB-門體部件熱膨脹系數(shù)；

αP-泡層熱膨脹系數(shù)；

ΔLB-門體其他部件沿伸縮方向發(fā)生的變形；

ΔLP-門體泡層沿伸縮方向的變形；

σB-門體其他部件應(yīng)力；

σP-門體泡層應(yīng)力；

EB-門體其他部件彈性模量；

EP-門體泡層彈性模量；

αE-門體等效熱膨脹系數(shù)；

L-部件長度。

根據(jù)公式（1）（2），可得門體泡層及其他部件的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中εB、εP分別為門體部件和泡層的應(yīng)變。由上式可知，門體各部件及泡層在發(fā)泡冷卻和高低溫測(cè)試過程中的熱變形主要包括兩部分：一是由于各部件和泡層熱變形產(chǎn)生的熱應(yīng)變；二是由于各部件和泡層熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致的力應(yīng)變。由于整個(gè)門體在發(fā)泡冷卻過程中靜力平衡，可得：

σBAB=σPAP（6）

式中，AB為冰箱各部件橫截面面積，AP為泡層橫截面面積。在發(fā)泡冷卻過程中，門體各部件和泡層粘結(jié)在一起，故有：

聯(lián)立公式（3～8），可得：

將公式（9）代入公式（3）中，可得冰箱門體在發(fā)泡冷卻過程中的變形量：

由上式可知，門體的變形量主要與門體各部件和泡層的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、溫度變化量及門體尺寸有關(guān)。與門體其他部件材料相比，泡層的彈性模量最低、熱膨脹系數(shù)最大，成為制約門體變形的關(guān)鍵因素。冰箱實(shí)際生產(chǎn)過程中，發(fā)泡后冷卻溫差是恒定的，在不改變冰箱門體結(jié)構(gòu)的前提下，可通過改變泡層熱膨脹系數(shù)及彈性模量的方法來抑制門體的變形。

2 冰箱門體有限元模型建立

本文選擇某款對(duì)開門冰箱的冷藏門進(jìn)行研究，冰箱門體尺寸為高×寬×厚=1730×514.5×53（mm），該冷藏門主要由上下端蓋、門內(nèi)膽、門板、門把手和泡層組成。門板為Q235鋼板，厚度為0.5 mm；端蓋和把手是由ABS注塑而成，厚度為2.5 mm；門內(nèi)膽是由HIPS吸塑而成，厚度為1 mm。門體各部件材料屬性如表1所示。

表1 門體各材料屬性

在仿真計(jì)算時(shí)為節(jié)省計(jì)算資源，提高計(jì)算速度，需要降低模型的網(wǎng)格數(shù)量。因此本文對(duì)門體模型進(jìn)行了必要的簡化：將門體各部件及泡層較小的倒角刪除，去掉了門體上的裝飾結(jié)構(gòu)。由于門板、內(nèi)膽尺寸較大且厚度較小，故采用殼單元；邊框、端蓋、把手及泡層采用體單元。為提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度，本文依據(jù)門體各部件結(jié)構(gòu)尺寸大小，劃分了不同尺寸的網(wǎng)格。

聚氨酯硬泡材料的彈性模量和熱膨脹系數(shù)可通過調(diào)整黑白料配比、采用不同工藝方法、改變泡料灌注量等方法調(diào)控，為驗(yàn)證聚氨酯硬泡冷卻變形性能對(duì)門體變形的影響，本文采用某供應(yīng)商提供的5種聚氨酯硬泡材料設(shè)計(jì)了5種方案，各方案的冷卻變形性能參數(shù)如表2所示，針對(duì)各方案進(jìn)行門體變形仿真計(jì)算，并對(duì)比計(jì)算結(jié)果。

表2 軟化水提高水效的樣機(jī)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 泡層冷卻變形性能方案

3 結(jié)果與分析

冰箱鋼板門完全冷卻過程中，整體溫度從80℃降低至10℃。首先對(duì)原始方案的門體進(jìn)行發(fā)泡冷卻仿真計(jì)算。圖3 a) 為原始方案門體變形情況，門體整體變形呈弓狀，門體朝冰箱門板一側(cè)拱起，最大變形為8.26 mm，出現(xiàn)在門體中央位置；門體兩端蓋變形較小。圖3 b)為冰箱門邊框變形情況，把手側(cè)邊框變形量為4.99 mm，另一側(cè)為4.02 mm，兩側(cè)邊框變形都位于把手下端靠近門板中間位置。從圖3可以看出，在發(fā)泡冷卻過程中門體有較大的變形，變形位置主要集中在門體、邊框和把手的中央位置。其中，邊框和把手的變形嚴(yán)重影響著冰箱的性能，因此在門體變形仿真中應(yīng)著重關(guān)注邊框靠近箱體一側(cè)的變形情況。

圖3 原始方案門體發(fā)泡過程變形情況

圖4～圖8為方案1～5的變形情況。表3為方案1～5的變形量。

表3 廢水閥自清潔提高水效的樣機(jī)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8 方案5門體發(fā)泡過程變形情況

表3 方案1～5變形量

圖4 方案1門體發(fā)泡過程變形情況

為直觀地對(duì)比各方案門體變形情況，現(xiàn)將各方案變形繪于一個(gè)柱狀圖中，如圖9所示。可以看出，在門體其他部件尺寸結(jié)構(gòu)不變的情況下，門體變形量受聚氨酯硬泡彈性模量大小影響，在一定數(shù)值范圍內(nèi)，門體變形隨其彈性模量的增大而增大，把手側(cè)的變形相比于另一側(cè)受聚氨酯彈性模量大小影響更加明顯；同時(shí)，門體變形量還受聚氨酯熱膨脹系數(shù)大小影響，在一定數(shù)值范圍內(nèi)，門體變形隨其熱膨脹系數(shù)的減小而減小，把手側(cè)的變形相比于另一側(cè)受聚氨酯熱膨脹系數(shù)大小影響更加明顯。從變形情況來看，方案5的熱膨脹系數(shù)和彈性模量最小，所以改善效果最好。

圖5 方案2門體發(fā)泡過程變形情況

圖6 方案3門體發(fā)泡過程變形情況

圖7 方案4門體發(fā)泡過程變形情況

圖9 各方案門體發(fā)泡冷卻變形情況

本文針對(duì)方案5進(jìn)行門體發(fā)泡變形實(shí)驗(yàn)用以驗(yàn)證仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。由表可知，仿真值雖略高于實(shí)驗(yàn)值，但數(shù)據(jù)誤差在14%左右，仿真結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。在實(shí)際聚氨酯硬泡配料過程中，彈性模量大小相比于熱膨脹系數(shù)更容易控制，但彈性模量減小會(huì)降低泡層的支撐強(qiáng)度，所以冰箱實(shí)際生產(chǎn)過程中，在滿足門體泡層支撐強(qiáng)度的前提下，可以優(yōu)先考慮減小彈性模量以減小門體變形。

表4 門體發(fā)泡冷卻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

為研究聚氨酯硬泡冷卻變形性能對(duì)冰箱門體變形的影響，本文提出了五種不同聚氨酯硬泡冷卻變形性能方案，借助CAE仿真的方法模擬了冰箱門體的發(fā)泡冷卻過程，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性并對(duì)比了不同方案中門體的變形量。

研究結(jié)果表明，冰箱在門體發(fā)泡冷卻后會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，彎曲變形量主要受門體各部件及聚氨酯硬泡彈性模量及熱膨脹系數(shù)的影響。其中，門體變形的大小隨聚氨酯硬泡彈性模量的增大而增大，隨熱膨脹系數(shù)的減小而減小。因此，在不影響聚氨酯性能的前提下，應(yīng)盡量選擇較小彈性模量及熱膨脹系數(shù)的聚氨酯硬泡來減小冰箱門體的熱變形。