基于CAE技术对冰箱零部件的设计与优化

林超 杨雪冬

（澳柯玛股份有限公司 山东青岛 266510）

基于CAE技术对冰箱零部件的设计与优化

林超 杨雪冬

（澳柯玛股份有限公司 山东青岛 266510）

本文通过ANSYS对门档部件进行电—热—结构耦合场分析，验证其结构的可行性，对失效模式进行分析，提出改进方案，优化产品结构，制作手板模与实际使用工况相结合进行实验验证。实验结果证明通过CAE技术辅助产品研发可以大大缩短产品研发周期、降低研发成本、提高研发效率、减少产品零部件失效率、提升产品可靠性与稳定性。

门档部件；电—热—结构耦合分析；优化

1 引言

随着冰箱产品进入升级换代的高峰期，市场消费升级需求拉动产品结构向高端化升级，四门及以上的高端冰箱所占的市场份额越来越大。其特点主要是以超宽箱体、超大空间、空间细化的欧式风格为主，突破传统对开门左右空间限制，颠覆性地将冷藏和冷冻上下分区。无隔断的超宽储藏空间，是传统对开门的2倍。因同一间室采用双开门的设计且间室内为追求超宽的储藏空间，无隔断对两门进行连接密封，两门的间隙又不可避免的需要存在，基于此门档部件应运而生。门档部件是四门及多门冰箱的重要零部件之一，它固定在其中一扇门体上。伴随着该门体的开启与关闭，门档部件相应打开或关闭。它承载着冰箱的密封、防凝露、锁紧门体等重要的功能角色。冰箱门档部件如图1。

本文的研究目的是针对冰箱门档部件基于CAE的基础上进行零部件的结构设计、优化分析，提出改进方案、验证改进效果。由于部件在使用过程中存在温度场的变化，会发生热应力变形。本文基于ANSYS对部件进行耦合场分析，找出潜在失效模式，优化部件结构、提升产品的稳定性与可靠性。

2 门档部件的d-FMEA分析

d-FMEA即Design Failure Mode and Effects Analysis（潜在失效模式影响分析），一种可靠性设计的重要方法。它产生于设计概念形成之时或之前，并且贯穿于产品开发的各个阶段，它实际上是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影响分析）的组合。它对各种可能的风险进行评价、分析，以便在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。及时性是成功实施FMEA的最重要因素之一，它是一个“事前的行为”，而不是“事后的行为”。为达到最佳效益，FMEA必须在故障模式被纳入产品之前进行。d-FMEA在体现设计意图的同时还应保证制造或装配能够实现设计意图。因此，虽然d-FMEA不是靠过程控制来克服设计中的缺陷，但其可以考虑制造/装配过程中技术的/客观的限制，从而为过程控制提供了良好的基础。

d-FMEA的核心理念：在产品设计开发时,充分考虑到产品在生产运输使用的过程中所涉及到的困难及问题，将所有的可能出现的因素纳入预防范围，提前做好预防措施及解决方案。门档部件的DFMEA分析如表1。

图1 四门冰箱门档部件

图2 门档部件无防凝露加热器温度图

图3 稳态热分析温度分布图

3 门档部件的耦合场分析

3.1 门档部件的使用工况简述

多门冰箱门档部件置于单一门体之上，随冰箱门体的开启或关闭，门档部件按照预定轨迹进行旋转关闭或打开，且能够自主维持在相应状态下。门档部件具有密封、防凝露等技术要求。

3.2 门档部件防凝露加热器的设计

据国标GB/T 8059.1-1995《家用制冷器具冷藏箱》中对凝露试验的要求：冰箱外表面不允许出现珠状级或流水状级凝露。标准规定凝露试验测试环境温度为32℃，相对湿度75%，查空气的h-d图，得出其露点温度为28.2℃。

3.2.1 无加热器时部件外表面温度计算

门档部件的使用工况，如表2。将几何模型导入ANSYS Workbench中，配置相关参数，进行温度校核。分析结果如图2。

从门档部件的Steady-State Thermal分析中可以看到，门档部件在没有防凝露加热器的情况下，稳态时门档外盖的表面温度为13℃左右，低于露点温度28.2℃。所以部件在无防凝露加热器的情况下，外表面会凝露，不符合国标GB/T 8059.1-1995《家用制冷器具 冷藏箱》中对凝露试验的要求，门档部件中需增加防凝露加热器。

3.2.2 门档部件防凝露加热器的设计

设计相关参数见表3。门档部件防凝露加热器需将门档外盖由13℃加热至30℃，因门档部件内部以EPS泡沫作为隔热材料，其热导率为0.046W/(m·K)，隔热性能比较好，所以其热损可以忽略。故门档部件门档外盖升至所需温度时所需的热量J为：

这部分的能量需要由门档部件防凝露加热器来提供，所以门档部件防凝露加热器所提供的热量Q应等于门档外盖所需要的热量J，即Q=J=PTη，η为热效率，取值70%，故加热丝功率,经计算得出门档盖防凝露加热器的功率需大于4.9W才能满足设计要求，综合考虑20%的富余量，取门档部件防凝露加热器功率为6W。

图4 Total Deformation分析图

图5 门档部件开关门失效图

图6 优化后门档部件的Total Deformation分析图

4 门档部件整机的耦合场分析

4.1 门档部件整机的耦合场分析

当结构件受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形。若变形受到某些限制：如位移约束或相反的压力或材料的热膨胀系数不同，则导致在结构中产生热应力。热分析得到的温度对结构分析的应变和应力有显著的影响，良好的结构响应对热应力耦合的分析结果有很大的影响。将部件的整机模型进行耦合场分析，配置边界条件，分析结果如图3、图4。

从分析结果中我们可以看出门档外盖外表面温度为31℃左右，高于其露点温度28.2℃，可以有效防止门档外盖外表面的凝露。防凝露加热器的设计符合标准要求。

门档部件整机耦合场分析结果显示：部件由于热胀冷缩产生热应变。最大变形部位在中部及边角部，最大变形量为3.1mm，经Pro/E模拟仿真，在该变形量下，门档部件在开关门过程中会发生因门档限位柱进入不到轨迹槽内而失效，故门档部件的设计需进行改进。失效结果见图5。

4.2 门档部件结构优化

基于ANSYS对门档部件耦合场分析结果显示：部件在使用过程中存在温度差，且由于各子件材料不同，热膨胀系数不同，导致门档部件在使用过程中发生热应力变形。故改善门档部件变形量的问题我们从以下三个方向进行结构改善：（1）提高门档外盖的强度；（2）增加门档部件固定点位约束；（3）增加限位减震垫。所以我们将几何模型作如下更改：门档外盖增加加强筋，以增加其强度；将门档部件固定点位由两处约束增加至三处约束，以改善热应力变形。将优化后的模型再次进行热—结构耦合场分析。分析结果如图6。

ANSYS热应力耦合分析结果显示优化后的门档部件在热应力变形上得到明显改善，最大变形量为1mm左右。门档部件的优化后结构符合设计要求。故我们最终确定门档部件结构如图7、图8：（1）门档外盖增加加强筋；（2）门档部件三处约束固定；（3）门档盖顶部增加支撑减震垫。经手板模实际验证，门档部件改进后使用效果良好。门档部件在使用过程中无失效现象。

表1 门档部件的DFMEA分析

表2 门档部件稳态工况参数

表3 相关参数

5 结束语

本文在对冰箱门档部件d-FMEA的基础上，在产品开发过程中采用CAE辅助分析及手板模样机制作相结合的方法，对部件失效的潜在原因进行分析研究，制定具体改进措施，并通过实验验证，解决了门档部件的过程失效问题。实践证明，CAE技术对加速新产品开发、提高产品质量起着关键作用，是支持企业增强创新设计、提高市场竞争力的强有力的手段。

图7 门档部件改进结构—加强筋、加固定

图8 门档部件改进结构—增加支撑减震垫

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Based on the CAD technology to design and optimize refrigerator parts

LIN Chao YANG Xuedong
(AUCMA Co.,LTD Qingdao 266510)

In this paper, electrical-thermal-structural coupling analysis of door blocked parts by ANSYS was carried out and the feasibility of the structure was verified. The failure mode was analyzed, the improvement scheme was put forward, and therefore the product design was optimized. The hand plate mode combined with the actual working condition to do the experimental verification. Experimental results proved that using CAE to assist products research can greatly shortened the product development period, reduced development costs, improved the efficiency of research and development, reduced product parts failure rate, and enhanced product reliability and stability.

Door blocked parts; Electrical and thermal structure coupling analysis; Optimization