程春明 鮑 敏

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

冰箱門體是冰箱重要組成部分，一直是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、用戶使用等各個環(huán)節(jié)中關(guān)注的焦點(diǎn)。其外觀造型美觀度，關(guān)乎到冰箱“臉面”；其強(qiáng)度、剛度，影響到與箱體的配合間隙、密封性等，關(guān)系到冰箱整機(jī)制冷性能。

市場上現(xiàn)有冰箱門體，為了防止制造過程中變形扭曲，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，再加上制冷性能和低能耗需求，一般采用過度保守設(shè)計(jì)，可靠性系數(shù)較大。設(shè)計(jì)的門體比較厚，外形尺寸較大。這樣的產(chǎn)品不僅耗用原材料較多、成本較高，而且在制造過程中，相應(yīng)的工裝夾具、工藝裝備也較大，設(shè)備投入費(fèi)用也高。再加上門體總體美觀度較差，用戶體驗(yàn)感也較差。

本文以一款開發(fā)中的冰箱門體作為研究對象，擬以減少門體厚度為主要目標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。主要通過有限元仿真，對不同厚度的門殼結(jié)構(gòu)、門體組件等進(jìn)行強(qiáng)度仿真，根據(jù)仿真結(jié)果不斷優(yōu)化，并通過制作原理樣機(jī)并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證方案可行性。

1 門體相關(guān)參數(shù)

門體變形，如圖1三維結(jié)構(gòu)圖所示，一般指門體寬度W、深度（厚度）D、高度H方向上尺寸的變化量。三個維度方向尺寸的穩(wěn)定性，決定門體強(qiáng)度、剛度，其變形量大小，不僅影響門體外觀，而且其與箱體配合尺寸影響整機(jī)性能。

本文研究的門體，主要有上下端蓋、門內(nèi)膽、門面板、發(fā)泡層等組成。門面板為預(yù)涂鋼板，相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表[1]

2 門體仿真分析及驗(yàn)證

本方案采取的門體，主要有門面板（以下簡稱門殼）、門端蓋和門內(nèi)膽構(gòu)成腔體，在其腔體內(nèi)部，填充保溫材料。門殼，基材為鍍鋅鋼板的VCM彩板，采用鈑金工藝成型；門端蓋采用厚度為2.5 mm的ABS注塑而成；門內(nèi)膽，采用厚度1.5 mm的HIPS吸塑工藝制作；保溫材料，主要采用聚氨酯發(fā)泡工藝制成。進(jìn)行仿真分析時，需要對相關(guān)部件模型進(jìn)行簡化，降低網(wǎng)格數(shù)量，降低運(yùn)算時間，同時又要提高網(wǎng)格質(zhì)量，滿足精度要求。其中，門內(nèi)膽、門殼采用殼單元，門飾條、門把手、發(fā)泡液采用體單元首先將門體相關(guān)部件進(jìn)行簡化，降低網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約運(yùn)算時間，同時又要最大限度提升網(wǎng)格質(zhì)量，滿足仿真精度要求。其中，門內(nèi)膽、門殼采用殼單元，門端蓋、門把手、發(fā)泡液采用體單元。簡化的模型和網(wǎng)格劃分參見圖2。

2.1 門殼仿真分析

門殼作為門體的重要組成部分，且外形尺寸較大，也是門體變形比較顯性化的一個組件，其強(qiáng)度大小對門體影響很大。有必要針對門殼進(jìn)行重點(diǎn)分析。在門殼總體配合尺寸基本確定的前提下，重點(diǎn)針對門殼（門體）D尺寸（以下稱厚度）進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真。具體仿真數(shù)據(jù)見圖3。

從圖3中可以看出，門殼厚度從90 mm降到45 mm，按照5 mm的梯度遞減，門殼變形數(shù)值從2.97 mm減少到2.51 mm，從45 mm繼續(xù)降到30 mm，門殼變形值卻逐漸增加。通過此仿真結(jié)果，可以得出初步結(jié)論，門殼（體）厚度與變形呈線性反比關(guān)系，門殼（體）越薄，強(qiáng)度越好，但在45 mm附近會有拐點(diǎn)。根據(jù)此仿真結(jié)果，取門殼（門體）厚度45 mm為理論最佳值，作為后續(xù)設(shè)計(jì)及仿真依據(jù)。

圖1 門體結(jié)構(gòu)圖

圖2 門體仿真模型圖

圖3 門殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真

2.2 減薄門體仿真及驗(yàn)證

本文中產(chǎn)品門體原厚度為90 mm左右，根據(jù)門殼仿真分析的初步結(jié)果，結(jié)合冰箱制冷性能需要，先采取門體厚度（D向）直接減薄的方案，如圖4所示。將門體最小一側(cè)（如圖示門體右側(cè)）厚度確定為45 mm，由于門殼橫截面方向帶有一定弧度，另一側(cè)厚度如圖示門體右側(cè)）約為55 mm左右。按照此方案，對門體中門殼、上下門端蓋重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，并建立網(wǎng)格模型進(jìn)行仿真分析。

將門體上下端蓋設(shè)為固定約束，在門體一側(cè)施力后門體受力變形情況，進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5所示。從仿真結(jié)果來看，門體在D方向翹曲最大變形量為2 mm以上。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，按照設(shè)計(jì)方案制作門體樣件若干，門體發(fā)泡出來后，放在大平臺上進(jìn)行測量，用塞尺測量門體四個拐角與基準(zhǔn)平臺偏移量，通過計(jì)算偏移量的大小來驗(yàn)證門體翹曲變形情況。

從中隨機(jī)挑選4只門體進(jìn)行測量，結(jié)果如表2所示，所有門體左側(cè)變形量較大，右側(cè)變形量相對較小，而極差值都在1.5 mm以上，效果不是很理想。

從仿真分析和樣件實(shí)測結(jié)果來看，單純的減薄門體，雖然門殼強(qiáng)度有所增加，但門體整體強(qiáng)度并沒有同步增加，還需要進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化。

2.3 門體優(yōu)化仿真及驗(yàn)證

通過進(jìn)一步研究分析發(fā)現(xiàn)，以上所述門體左側(cè)厚度相對較大，且門殼橫截面形狀過于單一，尤其是左側(cè)第一道彎邊尺寸過小，于是對現(xiàn)有方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。主要包括兩個方面：

1）取消門殼弧度，設(shè)置成平面，門殼（門體）D方向尺寸統(tǒng)一為45 mm；

2）將門殼左側(cè)橫截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，門殼優(yōu)化前后及優(yōu)化后門體如圖6所示。

按照此優(yōu)化方案，再次對門體中門殼、上下門端蓋重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，并建立網(wǎng)格模型。將門體上下端蓋設(shè)為固定約束，在門體左側(cè)施力后觀察受力變形情況，進(jìn)行仿真分析對比，結(jié)果如圖7所示。

圖4 門體減薄設(shè)計(jì)示意圖

圖5 門體仿真結(jié)果

表2 門體變形實(shí)測值

圖6 門殼優(yōu)化前后

圖7 門體優(yōu)化仿真結(jié)果對比

表3 門體左側(cè)變形實(shí)測值

從仿真數(shù)據(jù)來看，優(yōu)化前門體左側(cè)最大變形量為1.2 mm以上，優(yōu)化后最大變形量減少約為0.3 mm，強(qiáng)度顯著提高，變形量明顯減小。

為了驗(yàn)證門體優(yōu)化后的仿真結(jié)果，按照2.3所述方案設(shè)計(jì)制作門體，重點(diǎn)對門體左側(cè)進(jìn)行位置變形量測量，結(jié)果如表3所示，門體變形量大都在0.5 mm左右，門體總體強(qiáng)度明顯有所提高，尤其是門體左側(cè)強(qiáng)度提升顯著，從而進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。

3 總結(jié)

本文以一款產(chǎn)品冰箱門體作為研究載體，以門殼為研究建立模型，確定門殼厚度與強(qiáng)度相關(guān)度。首先按照對門體直接減薄的方案，建立有限元仿真模型進(jìn)行分析并制作樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。再繼續(xù)對門殼截面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，分別進(jìn)行仿真對比分析，并通過制作門體進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，門體強(qiáng)度顯著提高。

有限元分析方法，可以在產(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。本文提供的彩板門殼門體，厚度減薄，結(jié)構(gòu)簡單，成本相對低廉，又能滿足強(qiáng)度、相關(guān)性能要求，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約輕量化。