基于CAE技術對冰箱零部件的設計與優化

林超 楊雪冬

（澳柯瑪股份有限公司 山東青島 266510）

基于CAE技術對冰箱零部件的設計與優化

林超 楊雪冬

（澳柯瑪股份有限公司 山東青島 266510）

本文通過ANSYS對門檔部件進行電—熱—結構耦合場分析，驗證其結構的可行性，對失效模式進行分析，提出改進方案，優化產品結構，制作手板模與實際使用工況相結合進行實驗驗證。實驗結果證明通過CAE技術輔助產品研發可以大大縮短產品研發周期、降低研發成本、提高研發效率、減少產品零部件失效率、提升產品可靠性與穩定性。

門檔部件；電—熱—結構耦合分析；優化

1 引言

隨著冰箱產品進入升級換代的高峰期，市場消費升級需求拉動產品結構向高端化升級，四門及以上的高端冰箱所占的市場份額越來越大。其特點主要是以超寬箱體、超大空間、空間細化的歐式風格為主，突破傳統對開門左右空間限制，顛覆性地將冷藏和冷凍上下分區。無隔斷的超寬儲藏空間，是傳統對開門的2倍。因同一間室采用雙開門的設計且間室內為追求超寬的儲藏空間，無隔斷對兩門進行連接密封，兩門的間隙又不可避免的需要存在，基于此門檔部件應運而生。門檔部件是四門及多門冰箱的重要零部件之一，它固定在其中一扇門體上。伴隨著該門體的開啟與關閉，門檔部件相應打開或關閉。它承載著冰箱的密封、防凝露、鎖緊門體等重要的功能角色。冰箱門檔部件如圖1。

本文的研究目的是針對冰箱門檔部件基于CAE的基礎上進行零部件的結構設計、優化分析，提出改進方案、驗證改進效果。由于部件在使用過程中存在溫度場的變化，會發生熱應力變形。本文基于ANSYS對部件進行耦合場分析，找出潛在失效模式，優化部件結構、提升產品的穩定性與可靠性。

2 門檔部件的d-FMEA分析

d-FMEA即Design Failure Mode and Effects Analysis（潛在失效模式影響分析），一種可靠性設計的重要方法。它產生于設計概念形成之時或之前，并且貫穿于產品開發的各個階段，它實際上是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影響分析）的組合。它對各種可能的風險進行評價、分析，以便在現有技術的基礎上消除這些風險或將這些風險減小到可接受的水平。及時性是成功實施FMEA的最重要因素之一，它是一個“事前的行為”，而不是“事后的行為”。為達到最佳效益，FMEA必須在故障模式被納入產品之前進行。d-FMEA在體現設計意圖的同時還應保證制造或裝配能夠實現設計意圖。因此，雖然d-FMEA不是靠過程控制來克服設計中的缺陷，但其可以考慮制造/裝配過程中技術的/客觀的限制，從而為過程控制提供了良好的基礎。

d-FMEA的核心理念：在產品設計開發時,充分考慮到產品在生產運輸使用的過程中所涉及到的困難及問題，將所有的可能出現的因素納入預防范圍，提前做好預防措施及解決方案。門檔部件的DFMEA分析如表1。

圖1 四門冰箱門檔部件

圖2 門檔部件無防凝露加熱器溫度圖

圖3 穩態熱分析溫度分布圖

3 門檔部件的耦合場分析

3.1 門檔部件的使用工況簡述

多門冰箱門檔部件置于單一門體之上，隨冰箱門體的開啟或關閉，門檔部件按照預定軌跡進行旋轉關閉或打開，且能夠自主維持在相應狀態下。門檔部件具有密封、防凝露等技術要求。

3.2 門檔部件防凝露加熱器的設計

據國標GB/T 8059.1-1995《家用制冷器具冷藏箱》中對凝露試驗的要求：冰箱外表面不允許出現珠狀級或流水狀級凝露。標準規定凝露試驗測試環境溫度為32℃，相對濕度75%，查空氣的h-d圖，得出其露點溫度為28.2℃。

3.2.1 無加熱器時部件外表面溫度計算

門檔部件的使用工況，如表2。將幾何模型導入ANSYS Workbench中，配置相關參數，進行溫度校核。分析結果如圖2。

從門檔部件的Steady-State Thermal分析中可以看到，門檔部件在沒有防凝露加熱器的情況下，穩態時門檔外蓋的表面溫度為13℃左右，低于露點溫度28.2℃。所以部件在無防凝露加熱器的情況下，外表面會凝露，不符合國標GB/T 8059.1-1995《家用制冷器具 冷藏箱》中對凝露試驗的要求，門檔部件中需增加防凝露加熱器。

3.2.2 門檔部件防凝露加熱器的設計

設計相關參數見表3。門檔部件防凝露加熱器需將門檔外蓋由13℃加熱至30℃，因門檔部件內部以EPS泡沫作為隔熱材料，其熱導率為0.046W/(m·K)，隔熱性能比較好，所以其熱損可以忽略。故門檔部件門檔外蓋升至所需溫度時所需的熱量J為：

這部分的能量需要由門檔部件防凝露加熱器來提供，所以門檔部件防凝露加熱器所提供的熱量Q應等于門檔外蓋所需要的熱量J，即Q=J=PTη，η為熱效率，取值70%，故加熱絲功率,經計算得出門檔蓋防凝露加熱器的功率需大于4.9W才能滿足設計要求，綜合考慮20%的富余量，取門檔部件防凝露加熱器功率為6W。

圖4 Total Deformation分析圖

圖5 門檔部件開關門失效圖

圖6 優化后門檔部件的Total Deformation分析圖

4 門檔部件整機的耦合場分析

4.1 門檔部件整機的耦合場分析

當結構件受熱或變冷時，由于熱脹冷縮產生變形。若變形受到某些限制：如位移約束或相反的壓力或材料的熱膨脹系數不同，則導致在結構中產生熱應力。熱分析得到的溫度對結構分析的應變和應力有顯著的影響，良好的結構響應對熱應力耦合的分析結果有很大的影響。將部件的整機模型進行耦合場分析，配置邊界條件，分析結果如圖3、圖4。

從分析結果中我們可以看出門檔外蓋外表面溫度為31℃左右，高于其露點溫度28.2℃，可以有效防止門檔外蓋外表面的凝露。防凝露加熱器的設計符合標準要求。

門檔部件整機耦合場分析結果顯示：部件由于熱脹冷縮產生熱應變。最大變形部位在中部及邊角部，最大變形量為3.1mm，經Pro/E模擬仿真，在該變形量下，門檔部件在開關門過程中會發生因門檔限位柱進入不到軌跡槽內而失效，故門檔部件的設計需進行改進。失效結果見圖5。

4.2 門檔部件結構優化

基于ANSYS對門檔部件耦合場分析結果顯示：部件在使用過程中存在溫度差，且由于各子件材料不同，熱膨脹系數不同，導致門檔部件在使用過程中發生熱應力變形。故改善門檔部件變形量的問題我們從以下三個方向進行結構改善：（1）提高門檔外蓋的強度；（2）增加門檔部件固定點位約束；（3）增加限位減震墊。所以我們將幾何模型作如下更改：門檔外蓋增加加強筋，以增加其強度；將門檔部件固定點位由兩處約束增加至三處約束，以改善熱應力變形。將優化后的模型再次進行熱—結構耦合場分析。分析結果如圖6。

ANSYS熱應力耦合分析結果顯示優化后的門檔部件在熱應力變形上得到明顯改善，最大變形量為1mm左右。門檔部件的優化后結構符合設計要求。故我們最終確定門檔部件結構如圖7、圖8：（1）門檔外蓋增加加強筋；（2）門檔部件三處約束固定；（3）門檔蓋頂部增加支撐減震墊。經手板模實際驗證，門檔部件改進后使用效果良好。門檔部件在使用過程中無失效現象。

表1 門檔部件的DFMEA分析

表2 門檔部件穩態工況參數

表3 相關參數

5 結束語

本文在對冰箱門檔部件d-FMEA的基礎上，在產品開發過程中采用CAE輔助分析及手板模樣機制作相結合的方法，對部件失效的潛在原因進行分析研究，制定具體改進措施，并通過實驗驗證，解決了門檔部件的過程失效問題。實踐證明，CAE技術對加速新產品開發、提高產品質量起著關鍵作用，是支持企業增強創新設計、提高市場競爭力的強有力的手段。

圖7 門檔部件改進結構—加強筋、加固定

圖8 門檔部件改進結構—增加支撐減震墊

[1]陳艷霞，陳磊.ANSYS Workbench工程應用案例精通[M].北京：電子工業出版社,2012.8

[2]曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社,2010

[3]江見鯨，何放龍，陸新征等.有限元法及其應用[M].北京：機械工業出版社,2007:1-7

[4]盛和太，喻海量.ANSYS工程實例與應用大全[M].北京：清華大學出版社,2006

Based on the CAD technology to design and optimize refrigerator parts

LIN Chao YANG Xuedong
(AUCMA Co.,LTD Qingdao 266510)

In this paper, electrical-thermal-structural coupling analysis of door blocked parts by ANSYS was carried out and the feasibility of the structure was verified. The failure mode was analyzed, the improvement scheme was put forward, and therefore the product design was optimized. The hand plate mode combined with the actual working condition to do the experimental verification. Experimental results proved that using CAE to assist products research can greatly shortened the product development period, reduced development costs, improved the efficiency of research and development, reduced product parts failure rate, and enhanced product reliability and stability.

Door blocked parts; Electrical and thermal structure coupling analysis; Optimization