郭剛 孔冬 張丁 許錦潮 游飛越 王武新

（海信容聲（廣東）冰箱有限公司 廣東順德 528303）

1 引言

冰箱門體是冰箱的重要部件，而門端蓋(又稱門體堵頭、門定位板等)是冰箱門體的主要構件，是冰箱門體質(zhì)量和性能的主要影響因素之一。據(jù)市場反饋，由于物流環(huán)境的復雜性，環(huán)境的變化會導致冰箱門端蓋出現(xiàn)收縮變形甚至是發(fā)生裂紋產(chǎn)生，嚴重影響了冰箱質(zhì)量與品牌形象。冰箱門端蓋一般都由ABS注塑成型，門體組裝及門體發(fā)泡過程中會使門端蓋存在預應力，為了防止門端蓋在較低溫度環(huán)境下開裂，冰箱在出廠前需做高低溫沖擊試驗。冰箱在做高低溫沖擊試驗（高溫環(huán)境、低溫環(huán)境的交替作用）時有的門端蓋會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象(如圖1所示)，并作為門端蓋是否合格的重要判定標準。

冰箱門端蓋在低溫環(huán)境下開裂是由于溫度變化后,門體各零部件材料收縮膨脹不一致（如門面板，HIPS內(nèi)膽，聚氨酯發(fā)泡層，門端蓋等）,導致門端蓋局部應力應變加大以及局部應力集中時發(fā)生的。解決門端蓋在低溫環(huán)境下開裂一般有兩種措施,一是增加門端蓋材料韌性,二是優(yōu)化門端蓋結構以松弛門端蓋的應力水平。本文重點是借助有限元數(shù)值分析手段和應力應變測試儀器，從優(yōu)化門端蓋結構來解決冰箱門端蓋在低溫環(huán)境下開裂的問題。

有限元等數(shù)值方法，在冰箱結構設計中發(fā)揮著重要的作用，日益受到冰箱研發(fā)人員的青睞。本文采用有限元分析軟件，對冰箱門體和門端蓋的優(yōu)化結構進行數(shù)值分析和優(yōu)化。

2 門體及其門端蓋的有限元模型

冰箱塑料門端蓋裝配在冰箱門上下兩端,經(jīng)過裝配發(fā)泡后固定在門體上。冰箱門體部件由幾個部分組成：門面板、門內(nèi)膽、上下門端蓋、泡層(如圖2所示)。本文所研究的門端蓋模型是BCD-268型號冰箱的冷凍門。門體和門端蓋的幾何模型為簡化模型，取消了各圓角和弧度；由于門體左右對稱，為了減小計算量，門體和門端蓋的模型只取半邊上半部分。

在前處理中，冰箱門體的內(nèi)膽和門面板使用殼體單元，門端蓋和泡層為結構化的六面體實體單元(圖3)。溫度載荷為從50℃到-30℃的溫度變化,研究門端蓋在穩(wěn)態(tài)熱傳導下的變形情況與應力分布。各零部件分別賦于材料屬性，如表1所示。

3 數(shù)值計算結果

從圖4可以看出，門端蓋中部的位移最大，而門端蓋開裂的部位也基本上在中部。由于泡層和內(nèi)膽的低溫(-30℃)線膨脹系數(shù)較大，內(nèi)膽的楊氏彈性模量又大，在內(nèi)膽和泡層收縮的共同作用下，門體和門端蓋出現(xiàn)內(nèi)彎，門端蓋中部的熱應力增大，見圖4，反映出門端蓋中部的應力也較大，但最大應力不在中部，門端蓋開裂的位置并非應力最大的位置，這說明門端蓋的某個部位是否開裂，不僅取決于該部位的應力是否較大，也與該部位的構造有關系，門端蓋的中部雖然不是應力最大的部位，但是由于構造的原因，熱應力超過了此位置所能承受的應力強度，最容易開裂的部位。

表1 各零部件材料參數(shù)

4 應變測試

為了更直觀的了解門體和門端蓋在低溫環(huán)境下的應變情況，我們將門體放入-30℃低溫環(huán)境中測試門端蓋的應變，如圖5所示。其中，鋁箔固定的為一塊用于溫度補償?shù)腁BS板。

5 門端蓋加強筋對應力的影響

我們發(fā)現(xiàn)門端蓋的加強筋的結構、排布對門端蓋應力有較大影響，特別是門端蓋中部的加強筋，若適當減少加強筋（圖8），可以減低門端蓋在低溫下的熱應力。

通過對幾種門端蓋優(yōu)化結構的數(shù)值分析、應變測試，適當減少加強筋，重新設計排布門端蓋中部的加強筋，可以減小門端蓋在低溫下的熱應力和熱應變；而實物試驗的結果也證實了，減少門端蓋中部加強筋的優(yōu)化結構方案B沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象（表2）。實物試驗為高低溫沖擊試驗，即：-30℃ 24小時，50℃ 24小時一個循環(huán)，共四個循環(huán)。

表2 門端蓋優(yōu)化結構分析、應變測試結果

通過對上下門端蓋的數(shù)值模擬，制作實物樣機的高低溫沖擊實驗的驗證以及對幾種方案的進行了應變的測量，初步確定了該冰箱型號的門端蓋的改進優(yōu)化結構的方案。

6 結論

本文主要以冰箱BCD-268冷凍門端蓋為研究對象，應用有限元法對門體和門端蓋進行了數(shù)值模擬與分析，并通過應力應變測試進行校正，再進行結構優(yōu)化修改設計方案，最終使樣機在高低溫沖擊試驗條件下可以正常使用而不開裂。

各種不同設計方案的比較。本文突破了傳統(tǒng)的解決門端蓋的方法，本文單純從結構方面，為實例模型設計幾種不同的方案，每個方案并進行了相應的制作樣機來進行高低溫沖擊實驗驗證，通過對比以上各方案的優(yōu)劣與實驗結果，制定了最終的優(yōu)化設計方案，為了更進一步地驗證方案的可行性與可靠性，并重新對最后的結果作了分析，對各個方案有選擇的進行了應變的測量，從結果對比可知，測量結果與實驗結果基本一致，驗證了它的可靠性。

在門端蓋的設計中，應考慮盡量減小熱應力，減少門端蓋中部的加強筋，可使門端蓋的熱應力降低，并在工藝裝配過程中注重間隙配合，減小結構預應力，從而減少門端蓋開裂的可能性。

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