基于CAE的冰箱產品結構與外包裝方案優化

謝玉兵 等

摘 要：CAE又稱為計算機輔助工程，也就是通過虛擬分析的方法來模擬結構的性能，從而對結構設計進行優化，能夠解決實際的工程問題，指導產品的研發。本文對基于CAE的冰箱產品結構與外包裝方案進行了分析和優化，從而有效地提高外包裝對冰箱產品的防護能力，降低產品成本。

關鍵詞：CAE；冰箱產品結構；外包裝方案

使用CAE軟件能夠將產品包裝設計和結構設計中的不足查找出來，從而有效的對其進行優化。在冰箱的總成本中，包裝占了很大的比例，但是卻沒有起到應有的效果。電冰箱的包裝質量直接影響到產品的開箱合格率和損壞率，如果能夠對冰箱的包裝質量進行改善，則能夠有效地降低產品的維修成本和運輸損壞率。

1 基于CAE的冰箱左右側墊包裝結構優化

沖擊和戳穿是冰箱左右側的主要破壞形式，可以使用橫木撞擊實驗在實驗室對其進行測試。冰箱的外包裝材料為EPS泡沫和紙箱，冰箱的結構件材料為PU發泡層、ABS、冷軋鋼板。紙板的耐破強度為1.765MPa，法向E為100MPa；垂直瓦楞的方向E為25MPa，沿瓦楞方向E為10MPa，因此最終E為1.3MPa。冰箱包裝件的包裝板的瓦楞方向和包裝間的結構方向改變之后，能夠對外來的沖擊能力進行抵抗[1]。根據CAE技術，應該在能夠抵抗外來沖擊的基礎上盡量節約材料的用量。

①戳穿CAE分析。共有4種方案分析冰箱側墊結構的紙板箱結構：縱向和橫向的瓦楞板配合長圓孔和圓孔。對結構尺寸參數進行改變，使用CAE軟件來分析和評價戳穿，從而對結構進行優化。中部開孔部位是測電最薄弱的區域，分別承受的頂荷載為20×60、20×40、20×20，區域均布荷載為250N。②橫木撞擊CAE分析。冰箱在遭受橫木撞擊之后不得出現機械變形和損傷，使用100×100的橫木在相距1米處對冰箱進行撞擊。橫向直板和縱向直板都能夠通過撞擊實驗，根據分析結果，只要合理的搭配內泡沫墊和包裝紙板箱，就能夠承受橫木撞擊，提高產品的抵抗能力，并且節省材料用量。

2 基于CAE的冰箱前后墊結構優化

改變紙箱瓦楞的縱向方向，將其改為橫向方向。原有的前后墊寬度為400mm，現改進為200mm，原有的厚度為10mm，現在加到18mm，減少了5.7%的材料用量。經過CAE分析，改進冰箱前后墊方案之后，其能夠與泡沫進行更好的配合，有效地提高了其抵抗外來沖擊的能力，順利通過了橫木撞擊試驗。以此為基礎分析和改進了抵抗戳穿的能力，改進之后能夠對門體進行更好的保護[2]。

3 基于CAE的冰箱側板變形加強板結構優化

分析和對比側板可以發現，由于生產制造和結構設計中的不足，側板在運輸和發泡的過程中容易出現變形。

①側板發泡過程中的受力。以已知條件為根據，對各邊界條件進行定義。固定側板底部側板上端會產生位移，這是由發泡磨具的精度誤差造成的，位移約為0.5-1mm。將發泡塑料產生的壓力施加在側板大平面上，最后產生了0.1mm的最大變形量。這充分說明側板變形會受到發泡模具精度的影響。②分析后底板海綿的影響作用。海綿可以避免冰箱發泡后底板露出泡料，因此，側板的變形會受到海綿用量的影響。例如單層海綿的情況下，其最大變形量能夠達到0.1275mm，逐漸增加海綿的層數之后，變形量也會隨之增大，最后達到0.2mm。因此海綿的厚度作用和后底板裝配尺寸鏈都會影響側板變形。③分析加強鐵不到位裝配的影響。在實際裝配中，加強鐵如果存在裝配不到位的現象，也會對側板變形造成影響。例如假設側板下翻邊的間隙為2mm，固定側板和發泡層的接觸部位，箱體自重荷載由側板底部承受。通過計算發現，側板壓縮機艙部位會產生0.616mm的變形量。這充分說明側板變形會受到加強鐵裝配不到位的影響[3]。④分析加強鐵的結構。通過CAE軟件，對不同結構的加強鐵和加強板的組合進行棱跌落、角跌落、平跌落分析，能夠將合理的加墻體結構確定下來。通過比較發現，加強鐵如果不能進行可靠的固定，就會造成跌落中的串動，從而引起側板變形。通過計算發現加強鐵的最大變形量是1.225mm，因此要抵抗冰箱角跌落的沖擊，就應該在冰箱的后底板上支撐可靠的加強鐵。

要避免冰箱的前角變形的情況，就應該將加強鐵前端的缺口取消，并且對加強鐵進行可靠的裝配，使其能夠抵抗腳跌落的沖擊，保障結構的可靠性。

4 基于CAE的冰箱底部跌落優化

①分析冰箱的底部結構。在冰箱跌落的過程中，底墊會與壓縮機托板滾輪內側進行接觸，從而產生一定的反力，造成托板的變形。因此，應該設置至少15mm的底墊平面避空。冰箱的前墩角在跌落的過程中會產生大約10mm的底墊壓縮量，并與泡沫產生接觸，從而造成前端腳承受的反作用力較大。②分析冰箱的組合底墊結構。組合底墊不僅要能夠抵抗冰箱沖擊跌落的能力，而且還要盡量降低底墊成本。根據CAE軟件的分析，可以適當的增加底墊泡沫和支撐柱零件組合，支撐柱能夠產生24MPa的應力，從而有效的抵抗冰箱的沖擊跌落。

5 基于CAE的冰箱頂部承載優化

使用CAE軟件對冰箱頂部進行分析，主要是為了找出頂部結構設計的問題。CAE軟件能夠對冰箱的裝卸、搬運和運輸過程進行模擬，頂部的抗拉強度最小值為18MPa，在運輸和裝卸過程中頂蓋會產生10.95MPa，而在低溫下材料的抗沖擊強度僅為2MPa。因此，如果要在冬天對冰箱進行運輸和裝卸，頂部邊緣很容易出現破損，應該適當的增加泡沫墊。

6 結語

CAE軟件在家用電器的開發設計中用的比較普遍，能夠為家電企業提供有效的技術優化方案，通過對冰箱產品結構與外包裝方案的優化，將包裝紙箱的瓦楞方向改為橫向，減少了冰箱外包裝前后墊10%的泡沫材料用量，不僅能夠有效地拓寬原材料的供應渠道、降低對冰箱生產設備的要求，還能夠減少冰箱結構件的金屬材料用量。

參考文獻：

[1]韓艷艷，于智宏.基于Moldflow的臺面框注塑模冷卻系統分析[J].河南機電高等專科學校學報，2011（05）.

[2]黃遜青.家電產品無故障數據成敗型可靠性試驗方案探討[J].電子產品可靠性與環境試驗，2011（03）.

[3]王巍，易學滿，陳文琳.影響冰箱抽屜表觀質量的成型工藝參數優化設計[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2011（12）.