基于有限元仿真的不同材質冰箱門體研究

程春明 鮑敏 楊詩華 陸濤

長虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

作為冰箱的“門面”，門體一直是冰箱重要的組成部分。但是，由于門體構件種類多、結構復雜，關于門體的各項技術也一直是各大制造企業研究的重點和焦點。門體相關的新材料、新工藝、新技術的應用也一直走在產業前列。

房價的持續走高，使得容積率高、占用住房面積少的產品很受市場歡迎，市場上保溫層較薄的薄壁產品日益增多，市場開始逐步認可、接受薄壁產品。而現有薄壁產品門體大都是玻璃面板，為了解決門體變形問題，采用強度比較高的外飾件材料，成本較高，產品總體價格也較高，不能滿足大部分用戶的消費需求。

考慮到門體面板普遍采用的彩板成本相對較低，本文在現有薄壁門體厚度方向尺寸不變的基礎上，試將門體面板更換為彩板（基材為鋼板），并將門體構件減少、零件結構優化，增強門體整體性。通過有限元仿真，對兩種材質面板的門體進行強度對比仿真，然后通過制作樣機并進行相關試驗驗證，進一步驗證其差異，探討面板材質替代的可行性，從而降低成本。

2 門體相關參數

門體變形問題一直是門體設計、制造過程中需要規避的問題。如圖1所示，尤其是門體厚度（D）方向上的變形，此處變形量對外觀影響的顯性化更加明顯，容易被覺察，最重要的是影響門體與箱體之間的密封效果，從而影響產品的性能。因此厚度方向尺寸的穩定性，尤為重要。

圖1 門體三維圖

本文研究的門體：（1）玻璃材質面板門體，主要包括上下端蓋、左右飾條、門內膽、玻璃、發泡層等組成；（2）彩板材質面板門體，主要包括上下端蓋、門內膽、彩板（以鋼板為基材，表面鍍膜，以下稱“門殼”）、發泡層等，相關材料參數如表1所示。

表1 材料參數表[1]

3 仿真分析及驗證

本方案采取的門體，主要由門面板（鋼板、玻璃）、門端蓋和門內膽構成腔體，在其腔體內部，填充聚氨酯保溫材料。使用Simcenter 3D進行仿真分析時，需要對相關部件模型進行簡化[2]，門內膽、門殼厚度較薄，屬于薄壁件，不考慮厚度方向的應力，網格類型采用殼單元，簡化模型，降低運算時間；玻璃、端蓋、飾條采用實體單元——四面體二階單元，精度較高、運算速度快。

3.1 不同門體熱力學仿真對比分析

現有冰箱門體總體厚度（D）大約為90 mm，根據冰箱耗電量等制冷性能相關試驗結果，本文擬將減薄后的門體厚度定為45 mm（以下90 mm厚度門體簡稱“厚門”，45 mm厚度門體簡稱“薄門”）。然后按照玻璃、彩板兩種面板材質，分別進行熱力學仿真分析。此仿真，主要用于模擬用戶在極端工況使用產品時，由于內外溫差較大情況下門體受熱不均的變形情況，具體仿真模型設置如下：環境溫度設定為43℃，產品表面溫度設定為25℃，制冷時冰箱內部（門體關閉）最低溫度設定為-24℃。即門體外表面是升溫過程，溫度從25℃至43℃，門體內表面，是降溫過程，溫度從25℃至-24℃。門體內外溫差近70℃，在如此極端的情況下，來驗證溫度沖擊對門體變形的影響[3]。相關結果具體如下文所述。

3.1.1 玻璃材質熱力學仿真

在門體面板材質同為玻璃的條件下，根據門體兩種厚度分別進行熱力學仿真。由于玻璃門體左右兩側均為裝飾條結構，將門體上下端蓋進行固定約束，然后對門體整體以及飾條一側施加作用力，進行仿真分析，結果如圖2所示，門體整體變形和飾條側受力D向變形。

圖2 不同厚度玻璃門體熱力學仿真

從仿真數據（表2）來看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強度急劇降低。與厚門（90 mm）相比，薄門（45 mm）門體變形量的變動增值達70%，飾條側變形量的增值幅度更大，達到86%。

表2 玻璃門體熱力學變形量仿真數據對比分析

3.1.2 彩板材質熱力學仿真

在門體面板（門殼）同為彩板材質的情況下，根據不同的厚度分別進行熱力學仿真。由于彩板門體左右兩側均為門殼，沒有飾條結構，將門體上下端蓋設為固定約束后，對門體整體以及飾條一側施加作用力，進行仿真分析，結果如圖3所示。

圖3 不同厚度彩板門體熱力學仿真

從仿真數據（表3）來看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強度變動幅度較小。與厚門（90 mm）相比，薄門（45 mm）門體變形量的變動增值為28%，而門體側邊變形量增加僅為10%。

表3 彩板門體熱力學變形量仿真數據對比分析

通過進一步比較分析數據（表4），門體厚度從90 mm減到45 mm后，不同材質面板的門體及側邊變形幅度存在較大差距。對于門體變形量，玻璃材質變形幅度為彩板材質的2.5倍；門體單側變形量更加凸顯，玻璃材質變形幅度為彩板材質的8.6倍。通過分析發現，門體面板采用彩板材質，有利于增加門體受熱變形強度，無論是門體整體還是單側受力變形相對都較小。

表4 不同材質門體熱力學仿真數據匯總對比分析

3.2 不同門體靜力學仿真對比分析

此仿真，主要用于模擬門體制造生產后，門體在裝配過程或搬運過程中，受到不同方向外力作用后的變形情況。在門體厚度減薄幅度相同的前提下，分別對兩種不同材料面板門體強度[4]進行仿真。

3.2.1 玻璃材質靜力學仿真

在門體采用相同玻璃材質的情況下，根據不同的厚度分別進行強度仿真。由于玻璃門體左右兩側均為裝飾條結構，對門體施力后，分別對門體單側受力變形情況進行仿真分析，結果如圖4所示。

圖4 不同厚度玻璃門體強度對比分析

從仿真數據（表5）來看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強度急劇降低，薄門（45 mm）變形量為厚門（90 mm）的2.11倍。

表5 玻璃門體變形量仿真數據對比分析

3.2.2 彩板材質靜力學仿真

在門體采用彩板材質的情況下，根據不同的厚度分別進行強度仿真。由于彩板門體左右兩側均為門殼，沒有飾條結構，對門體施力后，分別對門體整體及側邊受力變形進行仿真分析，結果如圖5所示。

圖5 不同厚度彩板門體強度對比分析

從仿真數據（表6）來看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強度有所降低，薄門（45 mm）門體變形量為厚門（90 mm）的1.12倍，薄門（45 mm）側邊變形量為厚門（90 mm）的1.54倍。雖然受力位置不同，但兩者變形幅度基本差異不大，說明門體面板采用彩板材質，左右兩側沒有同玻璃門體一樣的裝飾條結構，反而有利于增加門體整體強度，無論是門體整體還是單側受力變形相對都較小。

表6 彩板門體變形量仿真數據對比分析

3.3 門體試驗驗證

為了驗證門體熱力學仿真分析結果，分別將兩種材質（玻璃和彩板）薄門門體的冰箱箱體，放入43℃環溫里進行儲溫制冷測試，其中冷藏室設置最低溫度2℃，冷凍室設置最低溫度-24℃，連續運行老化測試一周，溫度穩定后，取門體上、中、下三個位置進行測量[5]，主要測量箱體與門體內側面的距離，通過距離的差值變化來驗證門體（老化后）變形，相關測量數據如表7、表8所示。

表7 玻璃門體43℃運行變形數據

表8 彩板門體43℃運行變形數據

通過測量的數據結果，可以得出薄壁（45 mm）彩板門體變形量明顯比同樣厚度的玻璃門體變形量小，玻璃門體變形量最大差值約為彩板門體的3倍，符合仿真分析結果。

4 結論

本文以一款冰箱門體作為研究載體，建立有限元仿真模型，通過對不同材質、不同厚度門體進行相關仿真分析，以及同幅度減薄后的強度進行對比分析，從熱力學仿真結果來看，同樣減薄后，玻璃門體及飾條側變形幅度分別是彩板門體的2.5倍及8.6倍；從靜力學仿真結果來看，結合表5、表6數據，玻璃門體變形增值是彩板門體的1.88倍。從理論上得出，同樣厚度門體，彩板門體由于其整體性較好，強度比框架結構的玻璃門體要好。并通過制作門體進行相關試驗驗證，實測門體變形量，玻璃門體變形是彩板門體變形的3倍左右，與仿真結果進行擬合，驗證了仿真結果準確性、可行性。通過分析進一步發現，門體面板采用彩板材質，同樣減薄的情況下，可以最大限度滿足門體整體強度，變形相對較小。

有限元分析方法，可以實現在產品設計環節提供理論依據和技術預判，進行提前分析和判斷，減少不必要的技術驗證，從而縮短產品開發周期。本文的相關研究成果，可以給門體設計提供參考。