基于CAE的冰箱合頁加強板優(yōu)化設(shè)計

田亞明 姚 琳 鮑 敏

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

現(xiàn)在市場競爭越來越激烈，制造廠的成本壓力越來越大，降成本的需求顯得尤為迫切。通過對冰箱零件減重，減少用材，降低材料成本是比較直接有效的降成本手段。材料的減少會降低零件結(jié)構(gòu)強度，如何在不影響整體結(jié)構(gòu)強度和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的情況下降低材料成本成為設(shè)計過程中的關(guān)鍵。常規(guī)的方式是完成設(shè)計后，按圖紙制作樣機樣件，再進行完整的相關(guān)試驗驗證，需要花費較多的時間和人力物力，如果方案有問題，再次調(diào)整試驗，研發(fā)周期就會進一步拉長，通過CAE仿真對設(shè)計方案進行評估就成了最佳選擇。

冰箱零件的主要結(jié)構(gòu)風(fēng)險是在運輸過程中產(chǎn)生的，由于運輸過程中的顛簸、跌落等沖擊性運動造成冰箱部分零件的損壞。按照常規(guī)的仿真思路，要進行整機跌落仿真分析才能完成驗證，需要建立冰箱整機的仿真模型，零件數(shù)量多，網(wǎng)格數(shù)據(jù)較大，仿真耗時較長。零件之間的連接關(guān)系也更加復(fù)雜，細(xì)微的誤差就會造成仿真結(jié)果偏差，影響設(shè)計決策。

針對以上問題，本文采用更加簡便的仿真方法，簡化仿真分析過程，只建立局部箱體模型，通過結(jié)構(gòu)靜力仿真對比合格狀態(tài)與優(yōu)化狀態(tài)的仿真結(jié)果，就能對優(yōu)化設(shè)計方案做出正確的評估。

冰箱合頁加強板作為冰箱的關(guān)鍵零件，保證障冰箱門體安裝的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)強度必須得到保證。對合頁加強板的優(yōu)化設(shè)計需要進行完善的驗證，才能實施。本文以合頁加強板的優(yōu)化設(shè)計為例，建立仿真模型，說明本方法的應(yīng)用效果。

1 仿真模型建立

以某型號冰箱的上合頁加強板為例，如圖1所示，箱殼與箱膽之間填充發(fā)泡層，加強板緊貼箱殼，嵌在發(fā)泡層內(nèi)。上合頁通過螺栓與加強板緊固連接。

現(xiàn)有的加強板板材厚度是3 mm，經(jīng)過對多個產(chǎn)品的試驗結(jié)果進行分析，加強板這里均未出現(xiàn)變形和失效情況，也未收到關(guān)于加強板變形的市場反饋。綜合以上情況，加強板的結(jié)構(gòu)強度存在冗余，有一定程度的降本空間。

加強板主要靠加強板本身的結(jié)構(gòu)強度和發(fā)泡層對加強板的夾持力來保持上合頁的穩(wěn)定性，設(shè)計師根據(jù)結(jié)構(gòu)情況，制定的降本方案為在原結(jié)構(gòu)不變的情況下，將合頁加強板厚度由3 mm更改為2.5 mm?，F(xiàn)擬通過仿真對比加強板減薄前后上合頁的穩(wěn)定性以及關(guān)鍵部位的應(yīng)力，來評估對冰箱整體可靠性的影響。

1.1 建立仿真模型

根據(jù)加強板的裝配關(guān)系，上合頁的穩(wěn)定性主要與箱殼結(jié)構(gòu)強度、加強板結(jié)構(gòu)強度以及發(fā)泡層對加強板的夾持力有關(guān)。結(jié)合以往試驗情況，上合頁受到?jīng)_擊只會對箱體局部產(chǎn)生影響，為了簡化仿真模型，因此僅截取箱體右上角200 mm×200 mm×200 mm部分建立仿真分析模型。為了使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確，箱殼、發(fā)泡層、箱膽、合頁、加強板零件全部保留。如圖2所示。

冰箱箱體在生產(chǎn)時，加強板與箱殼先緊固，箱殼與箱膽卡裝在一起，然后在箱殼與箱膽圍成要空腔內(nèi)填充發(fā)泡層。為了保證裝配后的密閉可靠性，箱殼與箱膽零件在裝配部位結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)計了比較多的凹槽及臺階結(jié)構(gòu)。但是大部分圓角及臺階結(jié)構(gòu)是為了簡化零件生產(chǎn)工藝及裝配工藝，對整體結(jié)構(gòu)強度影響較小，因此在建立模型時進行簡化，可以提高網(wǎng)格質(zhì)量，節(jié)省計算時間。

1.2 網(wǎng)格劃分設(shè)置

箱殼與箱膽均為均勻壁厚的薄殼結(jié)構(gòu)，而且箱殼厚度0.5 mm，箱膽厚度1 mm，厚度與發(fā)泡層及加強板等零件相比薄的多，為了提高計算效率，箱殼與箱膽采用殼網(wǎng)格劃分。對箱殼和箱膽抽中面后劃分殼網(wǎng)格。加強板與上合頁雖然也是板式結(jié)構(gòu)，由于厚度相對要厚一些，而且作為關(guān)鍵零件，需要對應(yīng)力分布進行詳細(xì)的分析，所以采用體網(wǎng)格劃分。為了提升仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，發(fā)泡層、加強板、上合頁劃分10節(jié)點四面體網(wǎng)格。

根據(jù)模型尺寸，箱殼、箱膽、發(fā)泡層網(wǎng)格全局尺寸采用20 mm，在轉(zhuǎn)角部位以及與加強板和上合頁接觸的部分局部網(wǎng)格細(xì)化。加強板與上合頁網(wǎng)格全局尺寸采用2 mm，局部結(jié)構(gòu)細(xì)化。劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。

1.3 材料設(shè)置

箱殼、加強板、上合頁材料為Q235鋼材，箱膽材料為ABS，這兩種材料均可以從材料庫中找到相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。發(fā)泡層材料參數(shù)可以制作樣件，用試驗機測試后，根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)設(shè)置。

1.4 約束和載荷設(shè)置

發(fā)泡層與箱殼、加強板、箱膽均粘連在一起，在箱體受力時不會發(fā)生滑移，因此將發(fā)泡層與箱殼、箱膽、加強板設(shè)置綁定連接。其他零件間采用一般接觸。

合頁與加強板采用螺栓連接，為簡化模型，將固定螺栓簡化為螺栓單元。

合頁受力時箱體其他部分基本不會發(fā)生變形，因此約束設(shè)置為在仿真模型與箱體其他部分的連接面設(shè)置固定約束。

在跌落沖擊過程中的力主要通過合頁軸傳導(dǎo)，因此載荷施加在合頁軸上。大小根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，施加合頁受到的最大沖擊力200 N的靜載荷，為了使仿真結(jié)果展現(xiàn)的更為全面，在合頁軸分別施加向左、向前、向上三個方向的力，分別對比整體變形和應(yīng)力。如圖4所示。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 結(jié)果讀取

合頁軸的變形量反應(yīng)了門體的位移，通過合頁變形量的對比可以評估更改前后兩種狀態(tài)對門體穩(wěn)定性的影響。通過各個零件的應(yīng)力分布情況，可以評估更改前后兩種狀態(tài)下各個零件的失效可能性。

計算完成后，分別讀取各個載荷下兩種加強板狀態(tài)的變形云圖、箱殼應(yīng)力云圖、加強板應(yīng)力云圖及上合頁應(yīng)力云圖，如圖5～8所示，并將最大數(shù)值匯總進行對比分析，如表1所示。

表1 仿真結(jié)果匯總表

2.2 結(jié)果分析

加強板厚度從3 mm減薄到2.5 mm對整體變形影響較小。整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值在合頁上，其他零件的塑性變形風(fēng)險較小。加強板減薄對其他零件的應(yīng)力影響不大。

在向上的載荷作用下，加強板減薄后應(yīng)力增幅較大，部分超過了材料屈服極限，變形風(fēng)險略微增加。由于大應(yīng)力區(qū)域較小，所以對整體結(jié)構(gòu)的影響有限。

加強板高應(yīng)力分布的區(qū)域較小，結(jié)合整體應(yīng)力和變形情況，以及實際工況，加強板減薄對整體結(jié)構(gòu)風(fēng)險影響不大。

3 總結(jié)

本文采用結(jié)構(gòu)靜力仿真來模擬冰箱跌落沖擊過程中合頁加強板的受力情況，與整機跌落仿真分析相比，無論是仿真模型創(chuàng)建過程還是仿真計算過程，耗費的資源和時間都大幅降低。而且仿真的結(jié)果比較全面，對各個工況下的結(jié)果都能進行評估，仿真分析的準(zhǔn)確性能夠滿足生產(chǎn)和設(shè)計的需求。

在其他零件的優(yōu)化設(shè)計中也有一定的借鑒作用。