基于多體動力學仿真的冰箱助吸器優化設計

□ 韓麗麗 □ 張升剛 □ 王美艷 □ 楊帥嶺 □ 楊大海

海信(山東)冰箱有限公司 山東青島 266000

1 優化設計背景

隨著我國經濟的發展,消費者的購買力及對生活品質的要求不斷提升,大容積多門、對開門高端冰箱的銷售比重持續攀升,成為冰箱行業的發展趨勢[1-2]。對于高端冰箱而言,用戶體驗尤為重要。翻轉梁是多門冰箱冷藏室左側門上的部件[3],是為防止冷藏室左右門之間的間隙泄漏冷氣而設計的。對于帶有翻轉梁的門體系統而言,由于其運動涉及與助吸器的運動相互配合,因此結構復雜。其中,助吸器作為受力部件,其結構設計是整個系統的核心。由于門體系統仿真屬于多體動力學仿真,且涉及剛柔耦合,因此計算較為復雜[4-6]。在前期研發階段,助吸器的結構參數均依據工程師的經驗進行設計,從而造成某款高端冰箱設計完成后,在關門力小于50 N時，關門過助吸器蓄力點后在不施加外力及無慣性速度情況下,門體多處小角度出現懸停現象,影響用戶體驗。筆者基于計算機仿真,分析門體系統關門過程的能量變化，進行助吸器的設計和性能評估,優化助吸器與鉸鏈接觸位置的外輪廓和力臂截面，進而完成助吸器的結構優化[7-8]。門體系統結構俯視圖如圖1所示。

2 優化設計思路

筆者對現有助吸器進行優化設計,實現以下性能要求:

(1) 助吸器助力門體翻轉梁自閉,開門小角度均可靠自閉;

(2) 開關門平緩順暢,助吸器過與鉸鏈接觸高點的關門力應平緩增大,助吸器變形連續,沒有頓挫感和明顯噪聲；

(3) 最大開關門力不大于50 N；

(4) 助吸器應通過10萬次開關門測試,沒有斷裂風險。

助吸器優化設計思路如下:針對門體在任意小角度均要求可靠自閉,得到翻轉梁翻轉過程隨關門角度變化的阻力扭矩,進而確定助吸器需要達到的助力扭矩，助力扭矩大小為助吸器和鉸鏈間的接觸力與接觸位置到繞鉸鏈轉軸軸心的有效力臂的乘積。其中,接觸力由助吸器變形量及剛度決定，有效力臂取決于接觸點位置到鉸鏈軸心連線長度L，以及該連線與接觸位置法向夾角θ。助吸器變形量、助吸器剛度、有效力臂接觸點位置到鉸鏈軸心連線長度，以及該連線與接觸位置法向夾角為助吸器的設計要素,通過對這些設計要素進行優化,可以得到助吸器的最優結構尺寸。

3 優化設計要素研究

助吸器變形量由助吸器與鉸鏈的過盈量決定,隨助力扭矩的變化而變化。助力扭矩主要用于克服翻轉梁與導向槽之間的接觸阻力,即相應的關門角度為1.8°～8°時所產生的阻力。助吸器變形量隨關門角度的變化趨勢如圖2所示,這一變化趨勢可以保證變形量產生的助力扭矩實現門體自閉。考慮到開關門平緩順暢,變形量在助吸器切入鉸鏈的關門切入點位置開始緩慢增大,以保證用戶關門力由小緩慢增大,提高用戶體驗。關門過程中，力臂變形量緩慢增大。經過最大變形點后，變形量迅速減小,但應保留一定變形量以保證關門后不反彈。基于以上分析，筆者對助吸器頭部與鉸鏈接觸位置的外輪廓進行優化,以確保助吸器能夠達到上述要求。

助吸器結構如圖3所示，其力臂形狀決定助吸器的抗彎能力及助吸器閉合過程中的儲能能力。采用合理的助吸器力臂形狀及截面，可以在最少材料用料的情況下,通過材料分布獲得最優關門助力效果,并可有效避免助吸器在門體閉合過程中發生翻轉。助吸器力臂形狀受周邊結構影響較大,在門體結構確定后,很難進行更改設計,而助吸器截面則可在允許厚度范圍內進行更改。筆者將助吸器助力臂截面形狀作為優化變量,以助吸器剛度為目標進行優化設計,確定最佳的助吸器截面形狀。

4 仿真優化分析

4.1 變形量

筆者以助吸器與鉸鏈接觸位置的外輪廓為設計變量,通過改變助吸器外輪廓尺寸,調節門體閉合過程中助吸器與鉸鏈間的過盈量,從而改變助吸器的變形量。分析門體閉合過程可以發現,助吸器在門體關閉前半程進行儲能,在后半程釋放儲存的能量,達到助力關門的效果。因此,要求助吸器在前半程應盡量多儲能,但過多的儲能會導致關門困難和助吸器頭部過度磨損,所以需限定關門反力矩，且助吸器頭部應力應在合理范圍內。筆者以應變能最大為目標,以法向接觸應力和支反力矩為約束,對助吸器外輪廓進行優化。優化后助吸器有限元網格模型如圖4所示。

優化過程中助吸器應變能隨迭代次數的變化如圖5所示,優化前后應變能的變化如圖6所示。由圖6可見,經過對助吸器力臂位置輪廓的優化,助吸器的儲能能力有明顯提升,具有較好的助力效果。

4.2 剛度

助吸器力臂部分的截面形狀對門體關閉過程中穩定助吸器的法向位移,減小助吸器應力集中,延長助吸器壽命有重要影響。筆者以助吸器力臂截面為優化設計變量,以關門過程中助吸器優化區域應變能為優化目標,以優化過程中接觸力為限制條件,同時設置壁厚等約束,對助吸器力臂進行拓撲優化設計[9-12]。為保證助吸器變形量滿足要求,保持優化后的外輪廓,僅對內部材料進行拓撲優化。拓撲優化過程中,優化區域的應變能隨迭代次數的變化如圖7所示。

迭代過程中助吸器力臂截面材料分布如圖8所示,最終得到優化50次后的力臂截面材料分布。

由拓撲優化結果可以看出,助吸器力臂材料為上中下三層對稱分布。考慮實際生產中助吸器無法實現中間空腔,因此將上中下三層材料集中在中間層,形成H形助吸器力臂截面形狀,如圖9所示。助吸器優化前后力臂截面應力分布對比如圖10所示，可見,經過優化材料應力分布更加均勻,材料利用率提高。

5 結束語

筆者通過研究冰箱助吸器關門過程中的變形機理,分析了影響助吸器變形的四大變量,并通過多體動力學仿真,完成了助吸器的設計和迭代優化,得到了助吸器的最優結構方案。多體動力學仿真不僅可以從理論上指導助吸器的設計,而且大幅提高了帶有翻轉梁助吸器系統高端冰箱的用戶體驗。應用這一方法，可以縮短開發驗證周期,提升設計研發效率,具有較高的推廣價值。