基于有限元仿真的不同材質(zhì)薄壁冰箱門體熱變形研究

楊詩(shī)華 程春明 王 瑤 鮑 敏

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

作為冰箱的“門面”，門體一直是冰箱重要的組成部分。門體外觀，色彩，造型的好壞，已經(jīng)成為用戶購(gòu)買的主要因素。因此，生產(chǎn)制造企業(yè)非常重視門體的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。門體構(gòu)件多，相關(guān)配合尺寸鏈也多，再加上使用發(fā)泡工藝制作，制造過(guò)程中質(zhì)量控制難度也大。

現(xiàn)有高檔冰箱，由于玻璃質(zhì)感強(qiáng)，厚實(shí)，一般都采用玻璃作為門體面板。但是，玻璃價(jià)格高，也是高污染、高耗能材料。隨著彩板表面鍍膜技術(shù)不斷提高，彩板外表面也可以做到玻璃類似的效果，使用彩板替代玻璃作為門體面板，成為一種可能。

如今為了減少生產(chǎn)和使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱變形，冰箱門體強(qiáng)度，厚度一般都比較大，使用的材料也比較多。但隨著全球氣候不斷惡化，碳中和成為各國(guó)共識(shí)，減少碳排放，加快碳中和等相關(guān)政策措施的實(shí)施，節(jié)約資源、能源，成為源頭減排的重要措施。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)門體減薄，減少節(jié)約材料，輕量化設(shè)計(jì)，成為企業(yè)需要解決的問(wèn)題。

綜上因素，本課題主要通過(guò)有限元方法，對(duì)門體面板不同材質(zhì)、不同厚度進(jìn)行仿真分析，研究門體在發(fā)泡過(guò)程中、發(fā)泡過(guò)程后的變形情況，然后通過(guò)制作樣件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，分析對(duì)比驗(yàn)證，探討門體面板材質(zhì)替代、門體減薄的可行性，從而實(shí)現(xiàn)降低成本，節(jié)能減排，助力實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型社會(huì)。

1 門體相關(guān)參數(shù)

本文所述的門體變形，一般指門體生產(chǎn)制造過(guò)程中、使用過(guò)程中內(nèi)外溫差不同而產(chǎn)生的形變，一般表現(xiàn)為門體三個(gè)維度尺寸偏差。如果形變過(guò)大，首先會(huì)影響門體外觀質(zhì)量，而且會(huì)影響與箱體配合的緊密程度，嚴(yán)重地，會(huì)影響制冷效果，出現(xiàn)局部凝露、能耗增加等現(xiàn)象，從而影響整機(jī)性能。本文研究的門體，所述玻璃面板門體（以下簡(jiǎn)稱玻璃門），主要包括門體四周裝飾件和玻璃構(gòu)成腔室，在其內(nèi)部填充發(fā)泡材料；所述彩板面板門體（以下簡(jiǎn)稱彩板門），主要由彩板（以下簡(jiǎn)稱門殼）和上下裝飾件構(gòu)成腔室，在其內(nèi)部填充發(fā)泡材料。

所述材料相關(guān)參數(shù)如表1[1]所示。

表1 不同材料相關(guān)參數(shù)

本文所述門體厚度，指的是與箱體深度方向一致的尺寸。研究的所述厚門，采用現(xiàn)有冰箱門體主流厚度，尺寸為80 mm；研究的所述薄門，尺寸為40 mm。

2 仿真分析及驗(yàn)證

本文主要以M公司某個(gè)產(chǎn)品門體為原型，按照不同面板材質(zhì)、不同厚度分別建立仿真模型，并對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，降低網(wǎng)格數(shù)量，減少運(yùn)算時(shí)間，同時(shí)對(duì)核心部件提高網(wǎng)格質(zhì)量，滿足精度要求。根據(jù)模型，分別對(duì)門體進(jìn)行溫度場(chǎng)、熱-應(yīng)力等模擬仿真，對(duì)比分析相關(guān)數(shù)據(jù)，最后通過(guò)制作樣件，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.1 不同門體溫度場(chǎng)仿真分析

門體在發(fā)泡過(guò)程中，發(fā)泡液中組合聚醚、異氰酸酯按一定比例混合后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，門體整體急劇受熱，但門體構(gòu)成的材料種類不同，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱各不相同（見(jiàn)表2），從而導(dǎo)致散熱效果差異，產(chǎn)生各種變形。

表2 不同材料相關(guān)參數(shù)

將門體中心溫度設(shè)置為60 ℃，為起始溫度；外部環(huán)境溫度，按照設(shè)置為0 ℃，為最終溫度，按照兩種不同的門體面板（玻璃、彩板）材料進(jìn)行仿真，具體如下：

在發(fā)泡之后5 s，彩板門體的溫度場(chǎng)[2]梯度分布比玻璃門體均勻，散熱效果較好，10 s鐘之后，繼續(xù)延續(xù)原有趨勢(shì)進(jìn)行，梯度波動(dòng)較小（圖1）。

圖1 彩板門體溫度場(chǎng)仿真云圖

而玻璃門體在5 s時(shí)，波動(dòng)較小，但10 s之后，波動(dòng)明顯比彩板大（圖2）。

圖2 玻璃門體溫度場(chǎng)仿真云圖

發(fā)泡后，門體外側(cè)（門體面板側(cè)）泡層較內(nèi)側(cè)固化快，加之內(nèi)側(cè)門膽的強(qiáng)度明顯弱于外側(cè)玻璃或者鋼板，故冷卻過(guò)程中內(nèi)側(cè)收縮較大，導(dǎo)致門體變形普遍“鼓肚子”（外弓）；由于彩板的導(dǎo)熱系數(shù)是玻璃的41倍，是ABS的300多倍，而且比熱也較低，故在低環(huán)溫冷卻時(shí)彩板門外側(cè)散熱更快，會(huì)一定程度上抵消門體外弓的變形趨勢(shì)。

2.2 不同門體熱-應(yīng)力仿真分析

門體在注入發(fā)泡料后，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)釋放大量熱量，門體整體溫度急劇升高，而且發(fā)泡料在拉絲固化過(guò)程中，與門體面板、端蓋、門內(nèi)襯等緊密粘合在一起，隨著溫度逐漸下降，固化后的發(fā)泡料會(huì)逐漸收縮，從而帶動(dòng)與之粘合的相關(guān)部件一起收縮、扭曲、變形。為了提高生產(chǎn)效率，門體發(fā)泡后在夾具內(nèi)固化一段時(shí)間，會(huì)取出來(lái)進(jìn)行下道生產(chǎn)工序，當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)，內(nèi)外溫差會(huì)導(dǎo)致收縮、變形進(jìn)一步加劇。而且隨著快速發(fā)泡工藝[3]的普及應(yīng)用，固化時(shí)間更短，產(chǎn)品發(fā)生變形收縮的風(fēng)險(xiǎn)更大。

本仿真模型設(shè)置如下：門體注射發(fā)泡料后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間固化，溫度逐漸降低，取出發(fā)泡夾具時(shí)溫度，設(shè)置成50 ℃，為起始溫度；外部環(huán)境溫度，按照最惡劣的冬季溫度，設(shè)置成5 ℃，為最終溫度。

本仿真主要模擬門體在此溫度區(qū)間，散熱過(guò)程中應(yīng)力變化情況[4]，并分別對(duì)不同厚度、不同材質(zhì)面板門體進(jìn)行仿真。具體如下：

2.2.1 玻璃材質(zhì)門體熱-應(yīng)力分析

在門體面板材質(zhì)同為玻璃的條件下，按照厚門80、薄門40兩種厚度分別進(jìn)行仿真。將門體上、下端蓋進(jìn)行固定約束，設(shè)置邊界溫度，進(jìn)行仿真分析，得出門體及把手側(cè)（左側(cè)）應(yīng)力變形（單位: m）分布云圖，具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同厚度玻璃門體應(yīng)力變形云圖

從仿真數(shù)據(jù)（表3）來(lái)看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強(qiáng)度急劇降低，薄門（40）變形量是厚門（80）3.1倍，而門體把手側(cè)變形幅度更大，達(dá)到4.3倍。

表3 玻璃門體應(yīng)力變形仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.2.2 彩板材質(zhì)門體熱-應(yīng)力分析

在門體面板材質(zhì)同為彩板的條件下，也是按照厚度80、薄門40兩種厚度分別進(jìn)行仿真。將門體上、下端蓋進(jìn)行固定約束，設(shè)置邊界溫度，進(jìn)行仿真分析，得出門體應(yīng)力變形（單位:m）分布云圖，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同厚度彩板門體應(yīng)力變形云圖

從仿真數(shù)據(jù)（表4）來(lái)看，門體厚度減薄近一半后，門體整體強(qiáng)度有所降低，薄門（40）變形量是厚門（80）2.1倍。

表4 彩板門體應(yīng)力變形仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)表3、表4進(jìn)一步分析，彩板門體厚度減薄后，雖然門體變形量也大幅增加，但是和玻璃門體減薄后的變形對(duì)比來(lái)看，變動(dòng)幅度只有玻璃門體的32 %，明顯較低。

3 門體試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證兩種不同材質(zhì)門體溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果，門體發(fā)泡出來(lái)后，即刻在大平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量，用塞尺測(cè)量門體四個(gè)拐角與門體大面偏移量，通過(guò)偏移量的大小來(lái)確定門體翹曲變形情況，相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)如表5。

表5 不同材質(zhì)面板門體變形實(shí)測(cè)值（單位：mm）

通過(guò)表5測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得出彩板門體變形量明顯比同樣厚度玻璃門變形要小，符合仿真分析結(jié)果。

為了驗(yàn)證門體熱-應(yīng)力仿真結(jié)果，分別將兩種材質(zhì)（玻璃和彩板）門體發(fā)泡后，放入內(nèi)部?jī)?chǔ)藏溫度為5 ℃的冷藏箱內(nèi)存放24 h，然后將門體拿出，依次測(cè)量多組門體兩側(cè)弓形形變和上下飾條收縮變形，取相關(guān)均值后，相關(guān)數(shù)據(jù)如表6。

表6 不同材質(zhì)面板門體低溫儲(chǔ)存變形數(shù)據(jù)

通過(guò)表6測(cè)量數(shù)據(jù)，可以得出，同樣門體厚度情況下，彩板門比玻璃門變形小，同樣減薄比例下，彩板門體變形量明顯比玻璃門變形要小，符合仿真分析結(jié)果。

4 總結(jié)

本文以冰箱門體作為研究載體，通過(guò)建立有限元仿真模型，對(duì)不同材質(zhì)門體進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，得出彩板門體溫度場(chǎng)分布均勻，梯度散熱效果比玻璃門體要好；通過(guò)對(duì)不同材質(zhì)和厚度的門體進(jìn)行熱-應(yīng)力分析仿真，得出同樣減薄厚度后，彩板門體應(yīng)力變形量明顯比玻璃門小。并通過(guò)制作門體進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測(cè)變形量與仿真結(jié)果進(jìn)行擬合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果準(zhǔn)確性、可行性。

因彩板門體整體性較好，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有利，而且彩板面板導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等均比玻璃面板要好，有利于散熱，所以彩板門體在熱變形方面比玻璃門體優(yōu)勢(shì)明顯。