基于有限元分析的冰箱中梁組件優化設計

圣 潔 湯申杰 陳 俊 王 姣

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著生活水平的提高，用戶對冰箱間室分區要求越來越高，多門冰箱也就因勢而出，而中梁作為冰箱產品的主干結構，關系著冰箱各個間室門的密封性和同面度。

而在實際的冰箱產品的生產中，經常出現因為中梁的變形導致各個間室門存在密封不嚴或者平整度不高的現象，進而導致冰箱凝露或者外觀品質降低[1]。因此如何合理經濟的加強中梁強度，減少中梁變形問題成為迫切需要解決的問題。

本文簡述冰箱中梁組件優化設計的研究，利用有限元對中梁組件進行靜力學分析，模擬中梁在實際冰箱裝配中的變形情況，借此判斷冰箱中梁組件的強度薄弱點和變形的根本原因。

1 冰箱中梁結構分析

冰箱中梁為冰箱的主要支撐結構，其連接了冰箱箱體和門體，在冰箱使用過程中，作為主要承重結果承載著門體的開關過程。如圖1所示為某四門冰箱，該四門冰箱中梁位于冰箱中部，是固定門體的支撐結構，如圖1（a）所示，中梁的結構及剛強度不但影響左右對開兩個間室門的平整度，也影響上下兩個間室門的平整度。

圖1 中梁結構

中梁對間室門的裝配細節結構如圖1（b）及圖1（c）所示（中梁結構左右對稱），中合頁用螺釘+螺栓固定在箱體上，用以支撐冰箱各個間室門體。而為加強中梁固定門體后的平整度，中梁背面焊有加強板，如圖1（d）所示，加強板為門體固定后的受力結構，其強度對各間室門體的平整度有很大影響。

2 模型的建立

有限元模型通常包含離散化的幾何模型、單元特性、材料屬性、載荷和邊界條件、分析類型以及輸出結果。

2.1 離散化幾何模型

離散化即將用有限個單元逼近復雜的幾何形狀，通常單元數量越多，密度越大，計算精度就越高。但單元數量的增加對計算機硬件的要求也越高，計算時間也越長。為了兼顧計算精度和計算量，通常對模型進行必要的簡化，針對本文中的冰箱中梁結構進行以下簡化：

1）刪除不影響結構強度的圓角、螺紋孔等特征；

2）螺釘連接采用梁單元模擬。

采用Hex Dominant網格劃分，有限元模型如圖2所示，劃分完成后單元數量為102 900，節點數量為495 941。

圖2 中梁有限元模型

2.2 材料屬性

中梁、合頁以及加強板的材料屬性見表1。

表1 材料力學性能參數

2.3 邊界條件及載荷條件

中梁組件通過中梁左右側四個固定孔固定，單側門重量為10 kg，通過重力和力矩加載在合頁上。

3 有限元分析

根據上述方式定義模型并進行分析計算后，可得到中梁組件的變形云圖信息，通過此信息可以判斷強度薄弱區域及其變形尺寸，如圖3所示。

圖3 中梁組件變形云圖

通過變形云圖可知，中梁組件的最大變形為0.68 mm，此變形量已超過工藝允許范圍，導致門最遠端產生下墜，影響冰箱的外觀及使用性。

4 優化設計

現有的中梁加強基本采用增加中梁或者加強板壁厚來提高強度，但是改進后效果不明顯但成本增加較多。

而根據中梁組件的分析結果發現加強了受力較大區域為合頁的螺釘及螺栓固定處，而合頁螺栓固定于加強板上，但螺釘固定處沒有加強板結構。因為原加強板在合頁固定處只有中間兩顆螺栓參與連接，而在螺釘固定處合頁僅固定在中梁上，因中梁壁厚較薄，強度不夠。因此如何將合頁固定于加強板上，使加強板與合頁多一個螺釘固定，合頁受力時，螺釘固定處結構也是著力于加強板上而不是直接著力于中梁上。

此更改主要對加強板的結構形式進行改進設計，增加加強板及其與中梁、合頁的連接剛度，如圖3所示為加強板改進前后的結構形式。

圖3 加強板改進前后對比

改進前中梁組件與門框通過中梁連接，改進后直接通過加強板與門框連接，對改進后的結構形式進行有限元分析，優化后對中梁組件變形云圖如圖4所示。數據顯示改進后中梁最大變形為0.38 mm，較優化前變形量減少了0.3 mm，改善明顯。

圖4 改進后中梁組件變形云圖

5 實驗驗證

為實際驗證有限元分析結果是否正確，針對更改前后的加強板狀態各抽檢了十臺樣本冰箱，針對兩種開關門方式對各個間室門不同面尺寸進行測量對比，更改前結果如圖5所示，更改后結果如圖6所示。經過實際測量對比，與有限元分析后的結果對比基本一致。

圖5 改進前門不同面數據

圖6 改進后門不同面數據

6 結束語

本文以冰箱中梁組件為研究對象，采用有限元軟件對冰箱梁合頁組件進行應力分析，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梁祖建結構優化后應力和箱體變形的方向與實際情況相符，可以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。