基于有限元分析的冰箱端蓋數值分析與結構優化

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件，是冰箱門體質量和性能的主要影響因素之一。據市場反饋，由于物流環境的復雜性，環境的變化會導致冰箱門端蓋出現收縮變形甚至是發生裂紋產生，嚴重影響了冰箱質量與品牌形象。冰箱門端蓋一般都由ABS注塑成型，門體組裝及門體發泡過程中會使門端蓋存在預應力，為了防止門端蓋在較低溫度環境下開裂，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（高溫環境、低溫環境的交替作用）時有的門端蓋會出現開裂現象(如圖1所示)，并作為門端蓋是否合格的重要判定標準。

冰箱門端蓋在低溫環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內膽，聚氨酯發泡層，門端蓋等）,導致門端蓋局部應力應變加大以及局部應力集中時發生的。解決門端蓋在低溫環境下開裂一般有兩種措施,一是增加門端蓋材料韌性,二是優化門端蓋結構以松弛門端蓋的應力水平。本文重點是借助有限元數值分析手段和應力應變測試儀器，從優化門端蓋結構來解決冰箱門端蓋在低溫環境下開裂的問題。

有限元等數值方法，在冰箱結構設計中發揮著重要的作用，日益受到冰箱研發人員的青睞。本文采用有限元分析軟件，對冰箱門體和門端蓋的優化結構進行數值分析和優化。

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,經過裝配發泡后固定在門體上。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，冰箱門體的內膽和門面板使用殼體單元，門端蓋和泡層為結構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,研究門端蓋在穩態熱傳導下的變形情況與應力分布。各零部件分別賦于材料屬性，如表1所示。

3 數值計算結果

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。由于泡層和內膽的低溫(-30℃)線膨脹系數較大，內膽的楊氏彈性模量又大，在內膽和泡層收縮的共同作用下，門體和門端蓋出現內彎，門端蓋中部的熱應力增大，見圖4，反映出門端蓋中部的應力也較大，但最大應力不在中部，門端蓋開裂的位置并非應力最大的位置，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力是否較大，也與該部位的構造有關系，門端蓋的中部雖然不是應力最大的部位，但是由于構造的原因，熱應力超過了此位置所能承受的應力強度，最容易開裂的部位。

表1 各零部件材料參數

4 應變測試

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

5 門端蓋加強筋對應力的影響

我們發現門端蓋的加強筋的結構、排布對門端蓋應力有較大影響，特別是門端蓋中部的加強筋，若適當減少加強筋（圖8），可以減低門端蓋在低溫下的熱應力。

通過對幾種門端蓋優化結構的數值分析、應變測試，適當減少加強筋，重新設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力和熱應變；而實物試驗的結果也證實了，減少門端蓋中部加強筋的優化結構方案B沒有出現開裂現象（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，共四個循環。

表2 門端蓋優化結構分析、應變測試結果

通過對上下門端蓋的數值模擬，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行了應變的測量，初步確定了該冰箱型號的門端蓋的改進優化結構的方案。

6 結論

本文主要以冰箱BCD-268冷凍門端蓋為研究對象，應用有限元法對門體和門端蓋進行了數值模擬與分析，并通過應力應變測試進行校正，再進行結構優化修改設計方案，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。

各種不同設計方案的比較。本文突破了傳統的解決門端蓋的方法，本文單純從結構方面，為實例模型設計幾種不同的方案，每個方案并進行了相應的制作樣機來進行高低溫沖擊實驗驗證，通過對比以上各方案的優劣與實驗結果，制定了最終的優化設計方案，為了更進一步地驗證方案的可行性與可靠性，并重新對最后的結果作了分析，對各個方案有選擇的進行了應變的測量，從結果對比可知，測量結果與實驗結果基本一致，驗證了它的可靠性。

在門端蓋的設計中，應考慮盡量減小熱應力，減少門端蓋中部的加強筋，可使門端蓋的熱應力降低，并在工藝裝配過程中注重間隙配合，減小結構預應力，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化設計[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計中的應用[J].《家電科技》, 2011.6: 64-66.

[3]許錦潮,孔冬,姚小虎,游飛越.冰箱箱體制冷狀態下的有限元分析[J].《順德職業技術學報》(2011.3:7-9).

[4]孔冬,游飛越,許錦潮等.冰箱冷藏蒸發器結構應力分析及結構改進[J].《家電科技》2011.12:72-73

[5]郭剛,游飛越,孔冬等.基于數值分析的冰箱門體結構優化[C].《2011年中國家用電器技術大會論文集》，2011:58-62.