基于有限元分析的冰箱端盖数值分析与结构优化

郭刚 孔冬 张丁 许锦潮 游飞越 王武新

（海信容声（广东）冰箱有限公司 广东顺德 528303）

1 引言

冰箱门体是冰箱的重要部件，而门端盖(又称门体堵头、门定位板等)是冰箱门体的主要构件，是冰箱门体质量和性能的主要影响因素之一。据市场反馈，由于物流环境的复杂性，环境的变化会导致冰箱门端盖出现收缩变形甚至是发生裂纹产生，严重影响了冰箱质量与品牌形象。冰箱门端盖一般都由ABS注塑成型，门体组装及门体发泡过程中会使门端盖存在预应力，为了防止门端盖在较低温度环境下开裂，冰箱在出厂前需做高低温冲击试验。冰箱在做高低温冲击试验（高温环境、低温环境的交替作用）时有的门端盖会出现开裂现象(如图1所示)，并作为门端盖是否合格的重要判定标准。

冰箱门端盖在低温环境下开裂是由于温度变化后,门体各零部件材料收缩膨胀不一致（如门面板，HIPS内胆，聚氨酯发泡层，门端盖等）,导致门端盖局部应力应变加大以及局部应力集中时发生的。解决门端盖在低温环境下开裂一般有两种措施,一是增加门端盖材料韧性,二是优化门端盖结构以松弛门端盖的应力水平。本文重点是借助有限元数值分析手段和应力应变测试仪器，从优化门端盖结构来解决冰箱门端盖在低温环境下开裂的问题。

有限元等数值方法，在冰箱结构设计中发挥着重要的作用，日益受到冰箱研发人员的青睐。本文采用有限元分析软件，对冰箱门体和门端盖的优化结构进行数值分析和优化。

2 门体及其门端盖的有限元模型

冰箱塑料门端盖装配在冰箱门上下两端,经过装配发泡后固定在门体上。冰箱门体部件由几个部分组成：门面板、门内胆、上下门端盖、泡层(如图2所示)。本文所研究的门端盖模型是BCD-268型号冰箱的冷冻门。门体和门端盖的几何模型为简化模型，取消了各圆角和弧度；由于门体左右对称，为了减小计算量，门体和门端盖的模型只取半边上半部分。

在前处理中，冰箱门体的内胆和门面板使用壳体单元，门端盖和泡层为结构化的六面体实体单元(图3)。温度载荷为从50℃到-30℃的温度变化,研究门端盖在稳态热传导下的变形情况与应力分布。各零部件分别赋于材料属性，如表1所示。

3 数值计算结果

从图4可以看出，门端盖中部的位移最大，而门端盖开裂的部位也基本上在中部。由于泡层和内胆的低温(-30℃)线膨胀系数较大，内胆的杨氏弹性模量又大，在内胆和泡层收缩的共同作用下，门体和门端盖出现内弯，门端盖中部的热应力增大，见图4，反映出门端盖中部的应力也较大，但最大应力不在中部，门端盖开裂的位置并非应力最大的位置，这说明门端盖的某个部位是否开裂，不仅取决于该部位的应力是否较大，也与该部位的构造有关系，门端盖的中部虽然不是应力最大的部位，但是由于构造的原因，热应力超过了此位置所能承受的应力强度，最容易开裂的部位。

表1 各零部件材料参数

4 应变测试

为了更直观的了解门体和门端盖在低温环境下的应变情况，我们将门体放入-30℃低温环境中测试门端盖的应变，如图5所示。其中，铝箔固定的为一块用于温度补偿的ABS板。

5 门端盖加强筋对应力的影响

我们发现门端盖的加强筋的结构、排布对门端盖应力有较大影响，特别是门端盖中部的加强筋，若适当减少加强筋（图8），可以减低门端盖在低温下的热应力。

通过对几种门端盖优化结构的数值分析、应变测试，适当减少加强筋，重新设计排布门端盖中部的加强筋，可以减小门端盖在低温下的热应力和热应变；而实物试验的结果也证实了，减少门端盖中部加强筋的优化结构方案B没有出现开裂现象（表2）。实物试验为高低温冲击试验，即：-30℃ 24小时，50℃ 24小时一个循环，共四个循环。

表2 门端盖优化结构分析、应变测试结果

通过对上下门端盖的数值模拟，制作实物样机的高低温冲击实验的验证以及对几种方案的进行了应变的测量，初步确定了该冰箱型号的门端盖的改进优化结构的方案。

6 结论

本文主要以冰箱BCD-268冷冻门端盖为研究对象，应用有限元法对门体和门端盖进行了数值模拟与分析，并通过应力应变测试进行校正，再进行结构优化修改设计方案，最终使样机在高低温冲击试验条件下可以正常使用而不开裂。

各种不同设计方案的比较。本文突破了传统的解决门端盖的方法，本文单纯从结构方面，为实例模型设计几种不同的方案，每个方案并进行了相应的制作样机来进行高低温冲击实验验证，通过对比以上各方案的优劣与实验结果，制定了最终的优化设计方案，为了更进一步地验证方案的可行性与可靠性，并重新对最后的结果作了分析，对各个方案有选择的进行了应变的测量，从结果对比可知，测量结果与实验结果基本一致，验证了它的可靠性。

在门端盖的设计中，应考虑尽量减小热应力，减少门端盖中部的加强筋，可使门端盖的热应力降低，并在工艺装配过程中注重间隙配合，减小结构预应力，从而减少门端盖开裂的可能性。

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