基于有限元仿真的冰箱門體優化設計

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，一直是產品設計、制造、用戶使用等各個環節中關注的焦點。其外觀造型美觀度，關乎到冰箱“臉面”；其強度、剛度，影響到與箱體的配合間隙、密封性等，關系到冰箱整機制冷性能。

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

本文以一款開發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，進行相關方案設計及驗證。主要通過有限元仿真，對不同厚度的門殼結構、門體組件等進行強度仿真，根據仿真結果不斷優化，并通過制作原理樣機并進行相關試驗驗證，進一步驗證方案可行性。

1 門體相關參數

門體變形，如圖1三維結構圖所示，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定性，決定門體強度、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性能。

本文研究的門體，主要有上下端蓋、門內膽、門面板、發泡層等組成。門面板為預涂鋼板，相關材料參數如表1所示。

表1 材料參數表[1]

2 門體仿真分析及驗證

本方案采取的門體，主要有門面板（以下簡稱門殼）、門端蓋和門內膽構成腔體，在其腔體內部，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，主要采用聚氨酯發泡工藝制成。進行仿真分析時，需要對相關部件模型進行簡化，降低網格數量，降低運算時間，同時又要提高網格質量，滿足精度要求。其中，門內膽、門殼采用殼單元，門飾條、門把手、發泡液采用體單元首先將門體相關部件進行簡化，降低網格數量，節約運算時間，同時又要最大限度提升網格質量，滿足仿真精度要求。其中，門內膽、門殼采用殼單元，門端蓋、門把手、發泡液采用體單元。簡化的模型和網格劃分參見圖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，其強度大小對門體影響很大。有必要針對門殼進行重點分析。在門殼總體配合尺寸基本確定的前提下，重點針對門殼（門體）D尺寸（以下稱厚度）進行結構強度仿真。具體仿真數據見圖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，門殼變形數值從2.97 mm減少到2.51 mm，從45 mm繼續降到30 mm，門殼變形值卻逐漸增加。通過此仿真結果，可以得出初步結論，門殼（體）厚度與變形呈線性反比關系，門殼（體）越薄，強度越好，但在45 mm附近會有拐點。根據此仿真結果，取門殼（門體）厚度45 mm為理論最佳值，作為后續設計及仿真依據。

圖1 門體結構圖

圖2 門體仿真模型圖

圖3 門殼結構強度仿真

2.2 減薄門體仿真及驗證

本文中產品門體原厚度為90 mm左右，根據門殼仿真分析的初步結果，結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（如圖示門體右側）厚度確定為45 mm，由于門殼橫截面方向帶有一定弧度，另一側厚度如圖示門體右側）約為55 mm左右。按照此方案，對門體中門殼、上下門端蓋重新進行設計，并建立網格模型進行仿真分析。

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

從中隨機挑選4只門體進行測量，結果如表2所示，所有門體左側變形量較大，右側變形量相對較小，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測結果來看，單純的減薄門體，雖然門殼強度有所增加，但門體整體強度并沒有同步增加，還需要進行繼續優化。

2.3 門體優化仿真及驗證

通過進一步研究分析發現，以上所述門體左側厚度相對較大，且門殼橫截面形狀過于單一，尤其是左側第一道彎邊尺寸過小，于是對現有方案進行進一步優化。主要包括兩個方面：

1）取消門殼弧度，設置成平面，門殼（門體）D方向尺寸統一為45 mm；

2）將門殼左側橫截面尺寸進行優化，門殼優化前后及優化后門體如圖6所示。

按照此優化方案，再次對門體中門殼、上下門端蓋重新進行設計，并建立網格模型。將門體上下端蓋設為固定約束，在門體左側施力后觀察受力變形情況，進行仿真分析對比，結果如圖7所示。

圖4 門體減薄設計示意圖

圖5 門體仿真結果

表2 門體變形實測值

圖6 門殼優化前后

圖7 門體優化仿真結果對比

表3 門體左側變形實測值

從仿真數據來看，優化前門體左側最大變形量為1.2 mm以上，優化后最大變形量減少約為0.3 mm，強度顯著提高，變形量明顯減小。

為了驗證門體優化后的仿真結果，按照2.3所述方案設計制作門體，重點對門體左側進行位置變形量測量，結果如表3所示，門體變形量大都在0.5 mm左右，門體總體強度明顯有所提高，尤其是門體左側強度提升顯著，從而進一步驗證優化方案的可行性。

3 總結

本文以一款產品冰箱門體作為研究載體，以門殼為研究建立模型，確定門殼厚度與強度相關度。首先按照對門體直接減薄的方案，建立有限元仿真模型進行分析并制作樣機進行驗證。再繼續對門殼截面進行進一步優化，分別進行仿真對比分析，并通過制作門體進行相關試驗驗證，門體強度顯著提高。

有限元分析方法，可以在產品設計環節提供理論依據和技術預判，進行提前分析和判斷，減少不必要的技術驗證，從而縮短產品開發周期。本文提供的彩板門殼門體，厚度減薄，結構簡單，成本相對低廉，又能滿足強度、相關性能要求，實現資源節約輕量化。