冰箱發泡支架有限元分析

江 峰 田亞明 張啟花 胡明勇

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

冰箱作為家喻戶曉的并已經進入千家萬戶的必備家電之一，隨著科技的日益發展，生活水平的提高，對冰箱的保溫性能的要求也越快越高。對冰箱發泡本身研究的較多，像發泡料體系[1]，發泡工藝[2]等。對于冰箱發泡輔助零部件的研究較少，本文簡述冰箱發泡支架優化設計的研究，減少裝配工序，可以降低生產成本，提高工藝技術水平。

隨著有限元分析在航空，汽車和家電等行業中的廣泛應用，為我們對冰箱發泡支架設計開發進行鋪墊，提供有限元分析的技術支持。我們在研究冰箱發泡支架的設計階段，通過有限元分析，能夠更加直觀地預測到設計中的不足，借助CAE工具對支架結構進行優化仿真，提升結構強度及裝配效果，保證新支架結構的可靠性，可以縮短新支架的驗證周期，降低批量應用的風險。在不斷優化設計過程中，保證產品在開發過程中的質量，提高家電企業研究新產品的能力，促使其在競爭激烈的市場環境下生存和不斷發展。

1 冰箱發泡支架結構分析

選取一個冰箱的原發泡支架進行分析，發泡支架的發泡腿為兩道折彎成型（圖1），其與箱殼鏈接方式為螺絲固定（圖2）。仿真的主要目的是減少發泡支架的折彎，減少轉配工序，以達到降成本提高工藝水平的目的。

針對冰箱發泡支架的折彎與固定方式，我們建立有限元模型進行結構仿真分析和發泡應力仿真分析。

2 模型的建立

有限元分析前，對模型進行合理的簡化。模型主要由冰箱箱殼（部分），發泡支架、底板組成（圖3）。在設置模型過程中，為了分析順利進行，對模型進行檢查，對一些冰箱箱體，發泡層等都沒有考慮。

圖1 冰箱原發泡支架腳

圖2 原發泡支架固定方式

圖3 發泡支架仿真模型

2.1 網格劃分

在仿真軟件中對分析模型進行網格劃分，本文采用四面體單元，網格大小根據結構尺寸及分析精度需求，對接觸部位的網格進行局部細化。

2.2 接觸關系與約束及載荷設置

接觸的添加：根據實際工況定義接觸主面、從面、滑動公式、接觸屬性和接觸控制等。焊點、螺釘連接均簡化成剛體單元。

邊界的選取：邊界條件應根據模型實際情況進行定義，定義準確與否直接決定計算結果，邊界條件的選取應選取穩定的可靠的邊界，盡可能描述實際工況或等效實際工況，以保證計算精度。

3 有限元分析與實驗

3.1 有限元分析

3.1.1 冰箱變形與應力分析

分析完成，調入分析結果文件，查看箱體冰箱變形云圖（圖4、圖5）以及箱體應力云圖（圖6、圖7），由箱體變形云圖與應力云圖可以看出，裝配后的底座組件和側幫連接，由于側幫強度較高，支架后部應力很小，主要分布在支架底部。零件變形的分布也比較均勻。最大變形量0.194 mm，最大應力52.16 MPa。優化后的支架應力分布和變形情況與原支架基本一致，最大應力為51.35 MPa，最大變形為0.198 mm，與原支架相比差別不大。

對原發泡支架和優化后發泡支架進行CAE仿真分析，從仿真數據（表1）可以看出，優化后的發泡支架與優化前發泡支架相比，結構強度差別很小。發泡后加上發泡層的支撐和粘接作用，對整體的結構可靠性影響較小。同時裝配結構優化后的發泡支架應力不會減弱產品整體結構強度。

圖4 原支架變形云圖

圖5 優化后支架冰箱云圖

3.1.2 發泡支架優化

根據CAE分析以及上述工藝優化，在不影響發泡支架整體造型的基礎上，對發泡支架進行結構優化，將翻邊寬度減小，減少兩道折彎，增加沖壓凸臺，新發泡支架結構示意圖如圖8；設計新發泡支架與側幫插接，通過凸臺過盈裝配，支架與側幫貼合更緊密，為了使側幫折彎讓位，將原來的8顆螺釘減少至2顆螺釘連接，裝配結構示意圖如圖9。

圖6 原支架應力云圖

圖7 優化后支架應力云圖

3.1.3 工藝對比結果CAE分析

根據前面CAE分析仿真分析，對發泡支架裝配流程進行優化，工藝對比，將固定結構的8顆螺釘減少到2顆，降低生產成本；同時經現場測量工時，工時減少15 s，提高工作效率（裝配流程圖如圖10、11）。

表1 支架仿真數據

圖8 新發泡支架結構示意圖

圖12 新發泡支架

圖13 新發泡支架現場裝配圖

3.2 實驗

對優化后的新發泡支架進行樣件制作（圖12），現場裝配（圖13）制作成冰箱，待實驗。為了驗證新發泡支架在冰箱中的可靠性，我們對冰箱進行了跌落實驗，抱夾實驗，振動試驗和斜面沖擊試驗，安裝新發泡支架的冰箱在其實驗中，均都順利通過。

4 結束語

本文以冰箱發泡支架為研究對象，采用有限元軟件對冰箱發泡支架進行應力分析，再結合實際實驗驗證，證明了有限元分析的合理性。同時說明有限元分析發泡支架結構優化后應力和箱體變形的方向是對的，為后期冰箱其他零部件優化設計結構提供參考。通過有限元分析，可以減少零部件在實際開發過程中的周期，提高產品競爭力。