基于有限元仿真的不同材质冰箱门体研究

程春明 鲍敏 杨诗华 陆涛

长虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

作为冰箱的“门面”，门体一直是冰箱重要的组成部分。但是，由于门体构件种类多、结构复杂，关于门体的各项技术也一直是各大制造企业研究的重点和焦点。门体相关的新材料、新工艺、新技术的应用也一直走在产业前列。

房价的持续走高，使得容积率高、占用住房面积少的产品很受市场欢迎，市场上保温层较薄的薄壁产品日益增多，市场开始逐步认可、接受薄壁产品。而现有薄壁产品门体大都是玻璃面板，为了解决门体变形问题，采用强度比较高的外饰件材料，成本较高，产品总体价格也较高，不能满足大部分用户的消费需求。

考虑到门体面板普遍采用的彩板成本相对较低，本文在现有薄壁门体厚度方向尺寸不变的基础上，试将门体面板更换为彩板（基材为钢板），并将门体构件减少、零件结构优化，增强门体整体性。通过有限元仿真，对两种材质面板的门体进行强度对比仿真，然后通过制作样机并进行相关试验验证，进一步验证其差异，探讨面板材质替代的可行性，从而降低成本。

2 门体相关参数

门体变形问题一直是门体设计、制造过程中需要规避的问题。如图1所示，尤其是门体厚度（D）方向上的变形，此处变形量对外观影响的显性化更加明显，容易被觉察，最重要的是影响门体与箱体之间的密封效果，从而影响产品的性能。因此厚度方向尺寸的稳定性，尤为重要。

图1 门体三维图

本文研究的门体：（1）玻璃材质面板门体，主要包括上下端盖、左右饰条、门内胆、玻璃、发泡层等组成；（2）彩板材质面板门体，主要包括上下端盖、门内胆、彩板（以钢板为基材，表面镀膜，以下称“门壳”）、发泡层等，相关材料参数如表1所示。

表1 材料参数表[1]

3 仿真分析及验证

本方案采取的门体，主要由门面板（钢板、玻璃）、门端盖和门内胆构成腔体，在其腔体内部，填充聚氨酯保温材料。使用Simcenter 3D进行仿真分析时，需要对相关部件模型进行简化[2]，门内胆、门壳厚度较薄，属于薄壁件，不考虑厚度方向的应力，网格类型采用壳单元，简化模型，降低运算时间；玻璃、端盖、饰条采用实体单元——四面体二阶单元，精度较高、运算速度快。

3.1 不同门体热力学仿真对比分析

现有冰箱门体总体厚度（D）大约为90 mm，根据冰箱耗电量等制冷性能相关试验结果，本文拟将减薄后的门体厚度定为45 mm（以下90 mm厚度门体简称“厚门”，45 mm厚度门体简称“薄门”）。然后按照玻璃、彩板两种面板材质，分别进行热力学仿真分析。此仿真，主要用于模拟用户在极端工况使用产品时，由于内外温差较大情况下门体受热不均的变形情况，具体仿真模型设置如下：环境温度设定为43℃，产品表面温度设定为25℃，制冷时冰箱内部（门体关闭）最低温度设定为-24℃。即门体外表面是升温过程，温度从25℃至43℃，门体内表面，是降温过程，温度从25℃至-24℃。门体内外温差近70℃，在如此极端的情况下，来验证温度冲击对门体变形的影响[3]。相关结果具体如下文所述。

3.1.1 玻璃材质热力学仿真

在门体面板材质同为玻璃的条件下，根据门体两种厚度分别进行热力学仿真。由于玻璃门体左右两侧均为装饰条结构，将门体上下端盖进行固定约束，然后对门体整体以及饰条一侧施加作用力，进行仿真分析，结果如图2所示，门体整体变形和饰条侧受力D向变形。

图2 不同厚度玻璃门体热力学仿真

从仿真数据（表2）来看，门体厚度减薄近一半后，门体整体强度急剧降低。与厚门（90 mm）相比，薄门（45 mm）门体变形量的变动增值达70%，饰条侧变形量的增值幅度更大，达到86%。

表2 玻璃门体热力学变形量仿真数据对比分析

3.1.2 彩板材质热力学仿真

在门体面板（门壳）同为彩板材质的情况下，根据不同的厚度分别进行热力学仿真。由于彩板门体左右两侧均为门壳，没有饰条结构，将门体上下端盖设为固定约束后，对门体整体以及饰条一侧施加作用力，进行仿真分析，结果如图3所示。

图3 不同厚度彩板门体热力学仿真

从仿真数据（表3）来看，门体厚度减薄近一半后，门体整体强度变动幅度较小。与厚门（90 mm）相比，薄门（45 mm）门体变形量的变动增值为28%，而门体侧边变形量增加仅为10%。

表3 彩板门体热力学变形量仿真数据对比分析

通过进一步比较分析数据（表4），门体厚度从90 mm减到45 mm后，不同材质面板的门体及侧边变形幅度存在较大差距。对于门体变形量，玻璃材质变形幅度为彩板材质的2.5倍；门体单侧变形量更加凸显，玻璃材质变形幅度为彩板材质的8.6倍。通过分析发现，门体面板采用彩板材质，有利于增加门体受热变形强度，无论是门体整体还是单侧受力变形相对都较小。

表4 不同材质门体热力学仿真数据汇总对比分析

3.2 不同门体静力学仿真对比分析

此仿真，主要用于模拟门体制造生产后，门体在装配过程或搬运过程中，受到不同方向外力作用后的变形情况。在门体厚度减薄幅度相同的前提下，分别对两种不同材料面板门体强度[4]进行仿真。

3.2.1 玻璃材质静力学仿真

在门体采用相同玻璃材质的情况下，根据不同的厚度分别进行强度仿真。由于玻璃门体左右两侧均为装饰条结构，对门体施力后，分别对门体单侧受力变形情况进行仿真分析，结果如图4所示。

图4 不同厚度玻璃门体强度对比分析

从仿真数据（表5）来看，门体厚度减薄近一半后，门体整体强度急剧降低，薄门（45 mm）变形量为厚门（90 mm）的2.11倍。

表5 玻璃门体变形量仿真数据对比分析

3.2.2 彩板材质静力学仿真

在门体采用彩板材质的情况下，根据不同的厚度分别进行强度仿真。由于彩板门体左右两侧均为门壳，没有饰条结构，对门体施力后，分别对门体整体及侧边受力变形进行仿真分析，结果如图5所示。

图5 不同厚度彩板门体强度对比分析

从仿真数据（表6）来看，门体厚度减薄近一半后，门体整体强度有所降低，薄门（45 mm）门体变形量为厚门（90 mm）的1.12倍，薄门（45 mm）侧边变形量为厚门（90 mm）的1.54倍。虽然受力位置不同，但两者变形幅度基本差异不大，说明门体面板采用彩板材质，左右两侧没有同玻璃门体一样的装饰条结构，反而有利于增加门体整体强度，无论是门体整体还是单侧受力变形相对都较小。

表6 彩板门体变形量仿真数据对比分析

3.3 门体试验验证

为了验证门体热力学仿真分析结果，分别将两种材质（玻璃和彩板）薄门门体的冰箱箱体，放入43℃环温里进行储温制冷测试，其中冷藏室设置最低温度2℃，冷冻室设置最低温度-24℃，连续运行老化测试一周，温度稳定后，取门体上、中、下三个位置进行测量[5]，主要测量箱体与门体内侧面的距离，通过距离的差值变化来验证门体（老化后）变形，相关测量数据如表7、表8所示。

表7 玻璃门体43℃运行变形数据

表8 彩板门体43℃运行变形数据

通过测量的数据结果，可以得出薄壁（45 mm）彩板门体变形量明显比同样厚度的玻璃门体变形量小，玻璃门体变形量最大差值约为彩板门体的3倍，符合仿真分析结果。

4 结论

本文以一款冰箱门体作为研究载体，建立有限元仿真模型，通过对不同材质、不同厚度门体进行相关仿真分析，以及同幅度减薄后的强度进行对比分析，从热力学仿真结果来看，同样减薄后，玻璃门体及饰条侧变形幅度分别是彩板门体的2.5倍及8.6倍；从静力学仿真结果来看，结合表5、表6数据，玻璃门体变形增值是彩板门体的1.88倍。从理论上得出，同样厚度门体，彩板门体由于其整体性较好，强度比框架结构的玻璃门体要好。并通过制作门体进行相关试验验证，实测门体变形量，玻璃门体变形是彩板门体变形的3倍左右，与仿真结果进行拟合，验证了仿真结果准确性、可行性。通过分析进一步发现，门体面板采用彩板材质，同样减薄的情况下，可以最大限度满足门体整体强度，变形相对较小。

有限元分析方法，可以实现在产品设计环节提供理论依据和技术预判，进行提前分析和判断，减少不必要的技术验证，从而缩短产品开发周期。本文的相关研究成果，可以给门体设计提供参考。