基于有限元分析的冰箱中梁组件优化设计

圣 洁 汤申杰 陈 俊 王 姣

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

随着生活水平的提高，用户对冰箱间室分区要求越来越高，多门冰箱也就因势而出，而中梁作为冰箱产品的主干结构，关系着冰箱各个间室门的密封性和同面度。

而在实际的冰箱产品的生产中，经常出现因为中梁的变形导致各个间室门存在密封不严或者平整度不高的现象，进而导致冰箱凝露或者外观品质降低[1]。因此如何合理经济的加强中梁强度，减少中梁变形问题成为迫切需要解决的问题。

本文简述冰箱中梁组件优化设计的研究，利用有限元对中梁组件进行静力学分析，模拟中梁在实际冰箱装配中的变形情况，借此判断冰箱中梁组件的强度薄弱点和变形的根本原因。

1 冰箱中梁结构分析

冰箱中梁为冰箱的主要支撑结构，其连接了冰箱箱体和门体，在冰箱使用过程中，作为主要承重结果承载着门体的开关过程。如图1所示为某四门冰箱，该四门冰箱中梁位于冰箱中部，是固定门体的支撑结构，如图1（a）所示，中梁的结构及刚强度不但影响左右对开两个间室门的平整度，也影响上下两个间室门的平整度。

图1 中梁结构

中梁对间室门的装配细节结构如图1（b）及图1（c）所示（中梁结构左右对称），中合页用螺钉+螺栓固定在箱体上，用以支撑冰箱各个间室门体。而为加强中梁固定门体后的平整度，中梁背面焊有加强板，如图1（d）所示，加强板为门体固定后的受力结构，其强度对各间室门体的平整度有很大影响。

2 模型的建立

有限元模型通常包含离散化的几何模型、单元特性、材料属性、载荷和边界条件、分析类型以及输出结果。

2.1 离散化几何模型

离散化即将用有限个单元逼近复杂的几何形状，通常单元数量越多，密度越大，计算精度就越高。但单元数量的增加对计算机硬件的要求也越高，计算时间也越长。为了兼顾计算精度和计算量，通常对模型进行必要的简化，针对本文中的冰箱中梁结构进行以下简化：

1）删除不影响结构强度的圆角、螺纹孔等特征；

2）螺钉连接采用梁单元模拟。

采用Hex Dominant网格划分，有限元模型如图2所示，划分完成后单元数量为102 900，节点数量为495 941。

图2 中梁有限元模型

2.2 材料属性

中梁、合页以及加强板的材料属性见表1。

表1 材料力学性能参数

2.3 边界条件及载荷条件

中梁组件通过中梁左右侧四个固定孔固定，单侧门重量为10 kg，通过重力和力矩加载在合页上。

3 有限元分析

根据上述方式定义模型并进行分析计算后，可得到中梁组件的变形云图信息，通过此信息可以判断强度薄弱区域及其变形尺寸，如图3所示。

图3 中梁组件变形云图

通过变形云图可知，中梁组件的最大变形为0.68 mm，此变形量已超过工艺允许范围，导致门最远端产生下坠，影响冰箱的外观及使用性。

4 优化设计

现有的中梁加强基本采用增加中梁或者加强板壁厚来提高强度，但是改进后效果不明显但成本增加较多。

而根据中梁组件的分析结果发现加强了受力较大区域为合页的螺钉及螺栓固定处，而合页螺栓固定于加强板上，但螺钉固定处没有加强板结构。因为原加强板在合页固定处只有中间两颗螺栓参与连接，而在螺钉固定处合页仅固定在中梁上，因中梁壁厚较薄，强度不够。因此如何将合页固定于加强板上，使加强板与合页多一个螺钉固定，合页受力时，螺钉固定处结构也是着力于加强板上而不是直接着力于中梁上。

此更改主要对加强板的结构形式进行改进设计，增加加强板及其与中梁、合页的连接刚度，如图3所示为加强板改进前后的结构形式。

图3 加强板改进前后对比

改进前中梁组件与门框通过中梁连接，改进后直接通过加强板与门框连接，对改进后的结构形式进行有限元分析，优化后对中梁组件变形云图如图4所示。数据显示改进后中梁最大变形为0.38 mm，较优化前变形量减少了0.3 mm，改善明显。

图4 改进后中梁组件变形云图

5 实验验证

为实际验证有限元分析结果是否正确，针对更改前后的加强板状态各抽检了十台样本冰箱，针对两种开关门方式对各个间室门不同面尺寸进行测量对比，更改前结果如图5所示，更改后结果如图6所示。经过实际测量对比，与有限元分析后的结果对比基本一致。

图5 改进前门不同面数据

图6 改进后门不同面数据

6 结束语

本文以冰箱中梁组件为研究对象，采用有限元软件对冰箱梁合页组件进行应力分析，再结合实际实验验证，证明了有限元分析的合理性。同时说明有限元分析梁祖建结构优化后应力和箱体变形的方向与实际情况相符，可以为后期冰箱其他零部件优化设计结构提供参考。通过有限元分析，可以减少零部件在实际开发过程中的周期，提高产品竞争力。