基于有限元仿真的不同材質薄壁冰箱門體熱變形研究

楊詩華 程春明 王 瑤 鮑 敏

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

作為冰箱的“門面”，門體一直是冰箱重要的組成部分。門體外觀，色彩，造型的好壞，已經成為用戶購買的主要因素。因此，生產制造企業非常重視門體的設計和生產。門體構件多，相關配合尺寸鏈也多，再加上使用發泡工藝制作，制造過程中質量控制難度也大。

現有高檔冰箱，由于玻璃質感強，厚實，一般都采用玻璃作為門體面板。但是，玻璃價格高，也是高污染、高耗能材料。隨著彩板表面鍍膜技術不斷提高，彩板外表面也可以做到玻璃類似的效果，使用彩板替代玻璃作為門體面板，成為一種可能。

如今為了減少生產和使用過程中產生的熱變形，冰箱門體強度，厚度一般都比較大，使用的材料也比較多。但隨著全球氣候不斷惡化，碳中和成為各國共識，減少碳排放，加快碳中和等相關政策措施的實施，節約資源、能源，成為源頭減排的重要措施。如何實現對門體減薄，減少節約材料，輕量化設計，成為企業需要解決的問題。

綜上因素，本課題主要通過有限元方法，對門體面板不同材質、不同厚度進行仿真分析，研究門體在發泡過程中、發泡過程后的變形情況，然后通過制作樣件進行相關試驗，分析對比驗證，探討門體面板材質替代、門體減薄的可行性，從而實現降低成本，節能減排，助力實現資源節約型社會。

1 門體相關參數

本文所述的門體變形，一般指門體生產制造過程中、使用過程中內外溫差不同而產生的形變，一般表現為門體三個維度尺寸偏差。如果形變過大，首先會影響門體外觀質量，而且會影響與箱體配合的緊密程度，嚴重地，會影響制冷效果，出現局部凝露、能耗增加等現象，從而影響整機性能。本文研究的門體，所述玻璃面板門體（以下簡稱玻璃門），主要包括門體四周裝飾件和玻璃構成腔室，在其內部填充發泡材料；所述彩板面板門體（以下簡稱彩板門），主要由彩板（以下簡稱門殼）和上下裝飾件構成腔室，在其內部填充發泡材料。

所述材料相關參數如表1[1]所示。

表1 不同材料相關參數

本文所述門體厚度，指的是與箱體深度方向一致的尺寸。研究的所述厚門，采用現有冰箱門體主流厚度，尺寸為80 mm；研究的所述薄門，尺寸為40 mm。

2 仿真分析及驗證

本文主要以M公司某個產品門體為原型，按照不同面板材質、不同厚度分別建立仿真模型，并對相關部件進行簡化，降低網格數量，減少運算時間，同時對核心部件提高網格質量，滿足精度要求。根據模型，分別對門體進行溫度場、熱-應力等模擬仿真，對比分析相關數據，最后通過制作樣件，進行相關試驗，進一步驗證。

2.1 不同門體溫度場仿真分析

門體在發泡過程中，發泡液中組合聚醚、異氰酸酯按一定比例混合后產生化學反應，短時間內產生大量熱量，門體整體急劇受熱，但門體構成的材料種類不同，導熱系數和比熱各不相同（見表2），從而導致散熱效果差異，產生各種變形。

表2 不同材料相關參數

將門體中心溫度設置為60 ℃，為起始溫度；外部環境溫度，按照設置為0 ℃，為最終溫度，按照兩種不同的門體面板（玻璃、彩板）材料進行仿真，具體如下：

在發泡之后5 s，彩板門體的溫度場[2]梯度分布比玻璃門體均勻，散熱效果較好，10 s鐘之后，繼續延續原有趨勢進行，梯度波動較小（圖1）。

圖1 彩板門體溫度場仿真云圖

而玻璃門體在5 s時，波動較小，但10 s之后，波動明顯比彩板大（圖2）。

圖2 玻璃門體溫度場仿真云圖

發泡后，門體外側（門體面板側）泡層較內側固化快，加之內側門膽的強度明顯弱于外側玻璃或者鋼板，故冷卻過程中內側收縮較大，導致門體變形普遍“鼓肚子”（外弓）；由于彩板的導熱系數是玻璃的41倍，是ABS的300多倍，而且比熱也較低，故在低環溫冷卻時彩板門外側散熱更快，會一定程度上抵消門體外弓的變形趨勢。

2.2 不同門體熱-應力仿真分析

門體在注入發泡料后，會產生化學反應，會釋放大量熱量，門體整體溫度急劇升高，而且發泡料在拉絲固化過程中，與門體面板、端蓋、門內襯等緊密粘合在一起，隨著溫度逐漸下降，固化后的發泡料會逐漸收縮，從而帶動與之粘合的相關部件一起收縮、扭曲、變形。為了提高生產效率，門體發泡后在夾具內固化一段時間，會取出來進行下道生產工序，當外界環境溫度較低時，內外溫差會導致收縮、變形進一步加劇。而且隨著快速發泡工藝[3]的普及應用，固化時間更短，產品發生變形收縮的風險更大。

本仿真模型設置如下：門體注射發泡料后，經過一段時間固化，溫度逐漸降低，取出發泡夾具時溫度，設置成50 ℃，為起始溫度；外部環境溫度，按照最惡劣的冬季溫度，設置成5 ℃，為最終溫度。

本仿真主要模擬門體在此溫度區間，散熱過程中應力變化情況[4]，并分別對不同厚度、不同材質面板門體進行仿真。具體如下：

2.2.1 玻璃材質門體熱-應力分析

在門體面板材質同為玻璃的條件下，按照厚門80、薄門40兩種厚度分別進行仿真。將門體上、下端蓋進行固定約束，設置邊界溫度，進行仿真分析，得出門體及把手側（左側）應力變形（單位: m）分布云圖，具體結果如圖3所示。

圖3 不同厚度玻璃門體應力變形云圖

從仿真數據（表3）來看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強度急劇降低，薄門（40）變形量是厚門（80）3.1倍，而門體把手側變形幅度更大，達到4.3倍。

表3 玻璃門體應力變形仿真數據對比分析

2.2.2 彩板材質門體熱-應力分析

在門體面板材質同為彩板的條件下，也是按照厚度80、薄門40兩種厚度分別進行仿真。將門體上、下端蓋進行固定約束，設置邊界溫度，進行仿真分析，得出門體應力變形（單位:m）分布云圖，具體結果如圖4所示。

圖4 不同厚度彩板門體應力變形云圖

從仿真數據（表4）來看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強度有所降低，薄門（40）變形量是厚門（80）2.1倍。

表4 彩板門體應力變形仿真數據對比分析

經過表3、表4進一步分析，彩板門體厚度減薄后，雖然門體變形量也大幅增加，但是和玻璃門體減薄后的變形對比來看，變動幅度只有玻璃門體的32 %，明顯較低。

3 門體試驗驗證

為了驗證兩種不同材質門體溫度場仿真分析結果，門體發泡出來后，即刻在大平臺上進行測量，用塞尺測量門體四個拐角與門體大面偏移量，通過偏移量的大小來確定門體翹曲變形情況，相關測量數據如表5。

表5 不同材質面板門體變形實測值（單位：mm）

通過表5測量的數據結果，可以得出彩板門體變形量明顯比同樣厚度玻璃門變形要小，符合仿真分析結果。

為了驗證門體熱-應力仿真結果，分別將兩種材質（玻璃和彩板）門體發泡后，放入內部儲藏溫度為5 ℃的冷藏箱內存放24 h，然后將門體拿出，依次測量多組門體兩側弓形形變和上下飾條收縮變形，取相關均值后，相關數據如表6。

表6 不同材質面板門體低溫儲存變形數據

通過表6測量數據，可以得出，同樣門體厚度情況下，彩板門比玻璃門變形小，同樣減薄比例下，彩板門體變形量明顯比玻璃門變形要小，符合仿真分析結果。

4 總結

本文以冰箱門體作為研究載體，通過建立有限元仿真模型，對不同材質門體進行溫度場仿真，得出彩板門體溫度場分布均勻，梯度散熱效果比玻璃門體要好；通過對不同材質和厚度的門體進行熱-應力分析仿真，得出同樣減薄厚度后，彩板門體應力變形量明顯比玻璃門小。并通過制作門體進行相關試驗驗證，實測變形量與仿真結果進行擬合，驗證了仿真結果準確性、可行性。

因彩板門體整體性較好，對結構強度有利，而且彩板面板導熱系數、比熱等均比玻璃面板要好，有利于散熱，所以彩板門體在熱變形方面比玻璃門體優勢明顯。