基于CAE的冰箱合頁加強板優化設計

田亞明 姚 琳 鮑 敏

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

現在市場競爭越來越激烈，制造廠的成本壓力越來越大，降成本的需求顯得尤為迫切。通過對冰箱零件減重，減少用材，降低材料成本是比較直接有效的降成本手段。材料的減少會降低零件結構強度，如何在不影響整體結構強度和整體結構穩定性的情況下降低材料成本成為設計過程中的關鍵。常規的方式是完成設計后，按圖紙制作樣機樣件，再進行完整的相關試驗驗證，需要花費較多的時間和人力物力，如果方案有問題，再次調整試驗，研發周期就會進一步拉長，通過CAE仿真對設計方案進行評估就成了最佳選擇。

冰箱零件的主要結構風險是在運輸過程中產生的，由于運輸過程中的顛簸、跌落等沖擊性運動造成冰箱部分零件的損壞。按照常規的仿真思路，要進行整機跌落仿真分析才能完成驗證，需要建立冰箱整機的仿真模型，零件數量多，網格數據較大，仿真耗時較長。零件之間的連接關系也更加復雜，細微的誤差就會造成仿真結果偏差，影響設計決策。

針對以上問題，本文采用更加簡便的仿真方法，簡化仿真分析過程，只建立局部箱體模型，通過結構靜力仿真對比合格狀態與優化狀態的仿真結果，就能對優化設計方案做出正確的評估。

冰箱合頁加強板作為冰箱的關鍵零件，保證障冰箱門體安裝的穩定性，結構強度必須得到保證。對合頁加強板的優化設計需要進行完善的驗證，才能實施。本文以合頁加強板的優化設計為例，建立仿真模型，說明本方法的應用效果。

1 仿真模型建立

以某型號冰箱的上合頁加強板為例，如圖1所示，箱殼與箱膽之間填充發泡層，加強板緊貼箱殼，嵌在發泡層內。上合頁通過螺栓與加強板緊固連接。

現有的加強板板材厚度是3 mm，經過對多個產品的試驗結果進行分析，加強板這里均未出現變形和失效情況，也未收到關于加強板變形的市場反饋。綜合以上情況，加強板的結構強度存在冗余，有一定程度的降本空間。

加強板主要靠加強板本身的結構強度和發泡層對加強板的夾持力來保持上合頁的穩定性，設計師根據結構情況，制定的降本方案為在原結構不變的情況下，將合頁加強板厚度由3 mm更改為2.5 mm。現擬通過仿真對比加強板減薄前后上合頁的穩定性以及關鍵部位的應力，來評估對冰箱整體可靠性的影響。

1.1 建立仿真模型

根據加強板的裝配關系，上合頁的穩定性主要與箱殼結構強度、加強板結構強度以及發泡層對加強板的夾持力有關。結合以往試驗情況，上合頁受到沖擊只會對箱體局部產生影響，為了簡化仿真模型，因此僅截取箱體右上角200 mm×200 mm×200 mm部分建立仿真分析模型。為了使仿真結果更加準確，箱殼、發泡層、箱膽、合頁、加強板零件全部保留。如圖2所示。

冰箱箱體在生產時，加強板與箱殼先緊固，箱殼與箱膽卡裝在一起，然后在箱殼與箱膽圍成要空腔內填充發泡層。為了保證裝配后的密閉可靠性，箱殼與箱膽零件在裝配部位結構比較復雜，設計了比較多的凹槽及臺階結構。但是大部分圓角及臺階結構是為了簡化零件生產工藝及裝配工藝，對整體結構強度影響較小，因此在建立模型時進行簡化，可以提高網格質量，節省計算時間。

1.2 網格劃分設置

箱殼與箱膽均為均勻壁厚的薄殼結構，而且箱殼厚度0.5 mm，箱膽厚度1 mm，厚度與發泡層及加強板等零件相比薄的多，為了提高計算效率，箱殼與箱膽采用殼網格劃分。對箱殼和箱膽抽中面后劃分殼網格。加強板與上合頁雖然也是板式結構，由于厚度相對要厚一些，而且作為關鍵零件，需要對應力分布進行詳細的分析，所以采用體網格劃分。為了提升仿真結果準確性，發泡層、加強板、上合頁劃分10節點四面體網格。

根據模型尺寸，箱殼、箱膽、發泡層網格全局尺寸采用20 mm，在轉角部位以及與加強板和上合頁接觸的部分局部網格細化。加強板與上合頁網格全局尺寸采用2 mm，局部結構細化。劃分后的網格如圖3所示。

1.3 材料設置

箱殼、加強板、上合頁材料為Q235鋼材，箱膽材料為ABS，這兩種材料均可以從材料庫中找到相關參數進行設置。發泡層材料參數可以制作樣件，用試驗機測試后，根據試驗測試數據設置。

1.4 約束和載荷設置

發泡層與箱殼、加強板、箱膽均粘連在一起，在箱體受力時不會發生滑移，因此將發泡層與箱殼、箱膽、加強板設置綁定連接。其他零件間采用一般接觸。

合頁與加強板采用螺栓連接，為簡化模型，將固定螺栓簡化為螺栓單元。

合頁受力時箱體其他部分基本不會發生變形，因此約束設置為在仿真模型與箱體其他部分的連接面設置固定約束。

在跌落沖擊過程中的力主要通過合頁軸傳導，因此載荷施加在合頁軸上。大小根據試驗數據，施加合頁受到的最大沖擊力200 N的靜載荷，為了使仿真結果展現的更為全面，在合頁軸分別施加向左、向前、向上三個方向的力，分別對比整體變形和應力。如圖4所示。

2 仿真結果分析

2.1 結果讀取

合頁軸的變形量反應了門體的位移，通過合頁變形量的對比可以評估更改前后兩種狀態對門體穩定性的影響。通過各個零件的應力分布情況，可以評估更改前后兩種狀態下各個零件的失效可能性。

計算完成后，分別讀取各個載荷下兩種加強板狀態的變形云圖、箱殼應力云圖、加強板應力云圖及上合頁應力云圖，如圖5～8所示，并將最大數值匯總進行對比分析，如表1所示。

表1 仿真結果匯總表

2.2 結果分析

加強板厚度從3 mm減薄到2.5 mm對整體變形影響較小。整體結構應力最大值在合頁上，其他零件的塑性變形風險較小。加強板減薄對其他零件的應力影響不大。

在向上的載荷作用下，加強板減薄后應力增幅較大，部分超過了材料屈服極限，變形風險略微增加。由于大應力區域較小，所以對整體結構的影響有限。

加強板高應力分布的區域較小，結合整體應力和變形情況，以及實際工況，加強板減薄對整體結構風險影響不大。

3 總結

本文采用結構靜力仿真來模擬冰箱跌落沖擊過程中合頁加強板的受力情況，與整機跌落仿真分析相比，無論是仿真模型創建過程還是仿真計算過程，耗費的資源和時間都大幅降低。而且仿真的結果比較全面，對各個工況下的結果都能進行評估，仿真分析的準確性能夠滿足生產和設計的需求。

在其他零件的優化設計中也有一定的借鑒作用。