基于有限元仿真的不同材質(zhì)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(gòu)件種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)于門體的各項(xiàng)技術(shù)也一直是各大制造企業(yè)研究的重點(diǎn)和焦點(diǎn)。門體相關(guān)的新材料、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用也一直走在產(chǎn)業(yè)前列。

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

考慮到門體面板普遍采用的彩板成本相對(duì)較低，本文在現(xiàn)有薄壁門體厚度方向尺寸不變的基礎(chǔ)上，試將門體面板更換為彩板（基材為鋼板），并將門體構(gòu)件減少、零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強(qiáng)門體整體性。通過有限元仿真，對(duì)兩種材質(zhì)面板的門體進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比仿真，然后通過制作樣機(jī)并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證其差異，探討面板材質(zhì)替代的可行性，從而降低成本。

2 門體相關(guān)參數(shù)

門體變形問題一直是門體設(shè)計(jì)、制造過程中需要規(guī)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(duì)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(chǎn)品的性能。因此厚度方向尺寸的穩(wěn)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(zhì)面板門體，主要包括上下端蓋、左右飾條、門內(nèi)膽、玻璃、發(fā)泡層等組成；（2）彩板材質(zhì)面板門體，主要包括上下端蓋、門內(nèi)膽、彩板（以鋼板為基材，表面鍍膜，以下稱“門殼”）、發(fā)泡層等，相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表[1]

3 仿真分析及驗(yàn)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(nèi)膽構(gòu)成腔體，在其腔體內(nèi)部，填充聚氨酯保溫材料。使用Simcenter 3D進(jìn)行仿真分析時(shí)，需要對(duì)相關(guān)部件模型進(jìn)行簡化[2]，門內(nèi)膽、門殼厚度較薄，屬于薄壁件，不考慮厚度方向的應(yīng)力，網(wǎng)格類型采用殼單元，簡化模型，降低運(yùn)算時(shí)間；玻璃、端蓋、飾條采用實(shí)體單元——四面體二階單元，精度較高、運(yùn)算速度快。

3.1 不同門體熱力學(xué)仿真對(duì)比分析

現(xiàn)有冰箱門體總體厚度（D）大約為90 mm，根據(jù)冰箱耗電量等制冷性能相關(guān)試驗(yàn)結(jié)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(zhì)，分別進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析。此仿真，主要用于模擬用戶在極端工況使用產(chǎn)品時(shí)，由于內(nèi)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(shè)置如下：環(huán)境溫度設(shè)定為43℃，產(chǎn)品表面溫度設(shè)定為25℃，制冷時(shí)冰箱內(nèi)部（門體關(guān)閉）最低溫度設(shè)定為-24℃。即門體外表面是升溫過程，溫度從25℃至43℃，門體內(nèi)表面，是降溫過程，溫度從25℃至-24℃。門體內(nèi)外溫差近70℃，在如此極端的情況下，來驗(yàn)證溫度沖擊對(duì)門體變形的影響[3]。相關(guān)結(jié)果具體如下文所述。

3.1.1 玻璃材質(zhì)熱力學(xué)仿真

在門體面板材質(zhì)同為玻璃的條件下，根據(jù)門體兩種厚度分別進(jìn)行熱力學(xué)仿真。由于玻璃門體左右兩側(cè)均為裝飾條結(jié)構(gòu)，將門體上下端蓋進(jìn)行固定約束，然后對(duì)門體整體以及飾條一側(cè)施加作用力，進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2所示，門體整體變形和飾條側(cè)受力D向變形。

圖2 不同厚度玻璃門體熱力學(xué)仿真

從仿真數(shù)據(jù)（表2）來看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強(qiáng)度急劇降低。與厚門（90 mm）相比，薄門（45 mm）門體變形量的變動(dòng)增值達(dá)70%，飾條側(cè)變形量的增值幅度更大，達(dá)到86%。

表2 玻璃門體熱力學(xué)變形量仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1.2 彩板材質(zhì)熱力學(xué)仿真

在門體面板（門殼）同為彩板材質(zhì)的情況下，根據(jù)不同的厚度分別進(jìn)行熱力學(xué)仿真。由于彩板門體左右兩側(cè)均為門殼，沒有飾條結(jié)構(gòu)，將門體上下端蓋設(shè)為固定約束后，對(duì)門體整體以及飾條一側(cè)施加作用力，進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同厚度彩板門體熱力學(xué)仿真

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

表3 彩板門體熱力學(xué)變形量仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過進(jìn)一步比較分析數(shù)據(jù)（表4），門體厚度從90 mm減到45 mm后，不同材質(zhì)面板的門體及側(cè)邊變形幅度存在較大差距。對(duì)于門體變形量，玻璃材質(zhì)變形幅度為彩板材質(zhì)的2.5倍；門體單側(cè)變形量更加凸顯，玻璃材質(zhì)變形幅度為彩板材質(zhì)的8.6倍。通過分析發(fā)現(xiàn)，門體面板采用彩板材質(zhì)，有利于增加門體受熱變形強(qiáng)度，無論是門體整體還是單側(cè)受力變形相對(duì)都較小。

表4 不同材質(zhì)門體熱力學(xué)仿真數(shù)據(jù)匯總對(duì)比分析

3.2 不同門體靜力學(xué)仿真對(duì)比分析

此仿真，主要用于模擬門體制造生產(chǎn)后，門體在裝配過程或搬運(yùn)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(duì)兩種不同材料面板門體強(qiáng)度[4]進(jìn)行仿真。

3.2.1 玻璃材質(zhì)靜力學(xué)仿真

在門體采用相同玻璃材質(zhì)的情況下，根據(jù)不同的厚度分別進(jìn)行強(qiáng)度仿真。由于玻璃門體左右兩側(cè)均為裝飾條結(jié)構(gòu)，對(duì)門體施力后，分別對(duì)門體單側(cè)受力變形情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同厚度玻璃門體強(qiáng)度對(duì)比分析

從仿真數(shù)據(jù)（表5）來看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強(qiáng)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(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.2.2 彩板材質(zhì)靜力學(xué)仿真

在門體采用彩板材質(zhì)的情況下，根據(jù)不同的厚度分別進(jìn)行強(qiáng)度仿真。由于彩板門體左右兩側(cè)均為門殼，沒有飾條結(jié)構(gòu)，對(duì)門體施力后，分別對(duì)門體整體及側(cè)邊受力變形進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同厚度彩板門體強(qiáng)度對(duì)比分析

從仿真數(shù)據(jù)（表6）來看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強(qiáng)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(cè)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(zhì)，左右兩側(cè)沒有同玻璃門體一樣的裝飾條結(jié)構(gòu)，反而有利于增加門體整體強(qiáng)度，無論是門體整體還是單側(cè)受力變形相對(duì)都較小。

表6 彩板門體變形量仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.3 門體試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證門體熱力學(xué)仿真分析結(jié)果，分別將兩種材質(zhì)（玻璃和彩板）薄門門體的冰箱箱體，放入43℃環(huán)溫里進(jìn)行儲(chǔ)溫制冷測試，其中冷藏室設(shè)置最低溫度2℃，冷凍室設(shè)置最低溫度-24℃，連續(xù)運(yùn)行老化測試一周，溫度穩(wěn)定后，取門體上、中、下三個(gè)位置進(jìn)行測量[5]，主要測量箱體與門體內(nèi)側(cè)面的距離，通過距離的差值變化來驗(yàn)證門體（老化后）變形，相關(guān)測量數(shù)據(jù)如表7、表8所示。

表7 玻璃門體43℃運(yùn)行變形數(shù)據(jù)

表8 彩板門體43℃運(yùn)行變形數(shù)據(jù)

通過測量的數(shù)據(jù)結(jié)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(jié)果。

4 結(jié)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(duì)不同材質(zhì)、不同厚度門體進(jìn)行相關(guān)仿真分析，以及同幅度減薄后的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，從熱力學(xué)仿真結(jié)果來看，同樣減薄后，玻璃門體及飾條側(cè)變形幅度分別是彩板門體的2.5倍及8.6倍；從靜力學(xué)仿真結(jié)果來看，結(jié)合表5、表6數(shù)據(jù)，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(qiáng)度比框架結(jié)構(gòu)的玻璃門體要好。并通過制作門體進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)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(jié)果進(jìn)行擬合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果準(zhǔn)確性、可行性。通過分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，門體面板采用彩板材質(zhì)，同樣減薄的情況下，可以最大限度滿足門體整體強(qiáng)度，變形相對(duì)較小。

有限元分析方法，可以實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供理論依據(jù)和技術(shù)預(yù)判，進(jìn)行提前分析和判斷，減少不必要的技術(shù)驗(yàn)證，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。本文的相關(guān)研究成果，可以給門體設(shè)計(jì)提供參考。