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基于有限元仿真的不同材質(zhì)冰箱門體研究

2021-11-09 11:17:46程春明鮑敏楊詩華陸濤
家電科技 2021年5期
關(guān)鍵詞:玻璃門門體熱力學(xué)

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)于門體的各項技術(shù)也一直是各大制造企業(yè)研究的重點和焦點。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,采用強度比較高的外飾件材料,成本較高,產(chǎn)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(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,增強門體整體性。通過有限元仿真,對兩種材質(zhì)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(guān)試驗驗證,進一步驗證其差異,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、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進行仿真分析時,需要對相關(guān)部件模型進行簡化[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(xué)仿真對比分析

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,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,來驗證溫度沖擊對門體變形的影響[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),將門體上下端蓋進行固定約束,然后對門體整體以及飾條一側(cè)施加作用力,進行仿真分析,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(cè)變形量的增值幅度更大,達到86%。

表2 玻璃門體熱力學(xué)變形量仿真數(shù)據(jù)對比分析

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,對門體整體以及飾條一側(cè)施加作用力,進行仿真分析,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(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)對比分析

通過進一步比較分析數(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度,無論是門體整體還是單側(cè)受力變形相對都較小。

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

3.2 不同門體靜力學(xué)仿真對比分析

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(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)不同的厚度分別進行強度仿真。由于玻璃門體左右兩側(cè)均為裝飾條結(jié)構(gòu),對門體施力后,分別對門體單側(cè)受力變形情況進行仿真分析,結(jié)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(shù)據(jù)(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(shù)據(jù)對比分析

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)不同的厚度分別進行強度仿真。由于彩板門體左右兩側(cè)均為門殼,沒有飾條結(jié)構(gòu),對門體施力后,分別對門體整體及側(cè)邊受力變形進行仿真分析,結(jié)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(shù)據(jù)(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(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度,無論是門體整體還是單側(cè)受力變形相對都較小。

表6 彩板門體變形量仿真數(shù)據(jù)對比分析

3.3 門體試驗驗證

為了驗證門體熱力學(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)溫里進行儲溫制冷測試,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)運行老化測試一周,溫度穩(wěn)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(nèi)側(cè)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(guān)測量數(shù)據(jù)如表7、表8所示。

表7 玻璃門體43℃運行變形數(shù)據(jù)

表8 彩板門體43℃運行變形數(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,通過對不同材質(zhì)、不同厚度門體進行相關(guān)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(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,強度比框架結(jié)構(gòu)的玻璃門體要好。并通過制作門體進行相關(guān)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(jié)果進行擬合,驗證了仿真結(jié)果準確性、可行性。通過分析進一步發(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度,變形相對較小。

有限元分析方法,可以實現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)提供理論依據(jù)和技術(shù)預(yù)判,進行提前分析和判斷,減少不必要的技術(shù)驗證,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)計提供參考。

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