基于有限元分析的冰箱折叠搁架优化设计

张魁仓 张卫卫 鲍 敏

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

折叠搁架是一种通过推拉折叠、翻转进行调节上下搁架间距的玻璃搁架，可以方便的存放不同高度的物品，是冰箱重要的内饰件。折叠搁架在推拉折叠过程中的顺畅度、操作便利性、可靠性、承载能力将直接影响用户使用体验。在现有的冰箱产品中，由于折叠搁架的设计与制造缺陷，造成的市场投诉问题占有一定比例。

目前折叠搁架主要有推拉过程阻力大、卡死、承载能力差等问题。本文通过有限元分析方法，对一款冰箱折叠搁架结构强度及运动轨迹进行仿真、优化设计，以减小折叠搁架推拉阻力、提升折叠搁架承载能力。

1 模型概述与简化

折叠搁架模型主要包括前搁架、后搁架、箱胆筋条，折叠搁架材料包括钢化玻璃、ABS塑料，箱胆材料为HIPS塑料。折叠搁架导轨设置在后搁架及箱胆筋条上，通过对前搁架推、拉实现前后搁架间的折叠与展开。如图1所示为优化前折叠搁架展开模型。

折叠搁架仿真分析包括后搁架结构分析、前搁架运动分析。对不同仿真模型分别进行模型简化提高网格质量，在满足模型计算精度的条件下，尽降低运算时间。图2、图3为简化后模型，表1为本文采用的材料参数。

图1 优化前折叠搁架模型

图2 后搁架静力分析简化模型

2 模型仿真分析

2.1 后搁架强度分析

实际使用中，在进行折叠搁架推拉时，后搁架承载重物导致后搁架变形，将会直接影响前搁架推拉阻力，变形过大甚至会使后搁架与前搁架相碰撞。通过有限元仿真静力分析可以得到后搁架最大变形量。依照 GB/T 8059-2016第11.2.3节的要求试验方法，使用重量为1 kg、直径为 80 mm的负荷。后搁架尺寸为570 mm×170 mm，经测算后搁架要求承载重量为14 kg，静力分析中设置140 N均布载荷。从图4后搁架承重位移云图得出，后搁架载重14 kg竖直方向最大变形量为6.06 mm。

2.2 前搁架运动分析

前搁架推拉时的阻力大小是折叠搁架用户体验好坏的关键因素。运动分析可以模拟前搁架推拉过程，获得推拉时的应力云图及阻力变化曲线。从图5前搁架运动过程应力云图得出，前搁架运动过程中除受到与导轨摩擦力之外还受到后搁架后端挤压力，从图6前搁架运动过程阻力曲线得出，最大阻力在12.1 N。后搁架负载时，阻力将会更大。

3 模型优化设计

3.1 后搁架优化设计

如图7所示，后搁架优化前使用3.2 mm厚度的玻璃，结合3.1后搁架静力分析，分别对后搁架包边塑料件及玻璃厚度进行优化。优化方案一：①塑料包边由原来三边包边，改为四边包边，采用整体注塑方式增强后搁架整体强度；②后搁架塑料前包边增加筋条；③增加塑料包边宽度；④玻璃采用原3.2 mm厚度。优化方案二：在优化方案一基础上将玻璃厚度改为4 mm。

图3 运动仿真简化模型

表1 材料参数

图4 后搁架承重位移云图

图5 前搁架运动过程应力云图

图6 前搁架运动过程阻力曲线

3.2 前搁架与导轨优化设计

如图8所示，在原搁架基础上，优化后的前搁架采用四边塑料包边，与导轨接触的包边前中后段分别增加滑块，以减小前搁架运动时与导轨的接触面积。导轨设计大圆弧及短斜面，增强前搁架运动过程顺畅度。结合3.2前搁架运动分析，设计时改变前搁架限位结构及前后搁架间隙，避免前搁架运动过程中碰撞后搁架。

4 优化后仿真分析

4.1 优化后的后搁架强度分析

设定条件同3.1后搁架静力分析，从图9优化方案一后搁架承重位移云图（其中玻璃厚度为3.2 mm）得出，后搁架最大变形为4.48 mm。从图10优化方案二后搁架承重位移云图（其中玻璃厚度为4 mm）得出，后搁架最大变形为3.48 mm。

4.2 优化后的前搁架运动分析

从图11优化后前搁架运动过程应力云图得出，前搁架运动过程中是通过滑块与导轨接触，且只有前搁架与导轨之间的阻力。从图12优化后前搁架运动过程阻力曲线得出，最大阻力为6.71 N。

5 总结

图7 后搁架优化模型

图8 前搁架与导轨优化模型

图9 优化方案一后搁架承重位移云图

图10 优化方案二后搁架承重位移云图

图11 优化后前搁架运动过程应力云图

图12 优化后前搁架运动过程阻力曲线

表2 优化前后数据对比

从表2中可以得出：相较于原折叠搁架，优化后的后搁架负载14 kg最大变形量降低42.6 %，阻力降低44.5 %，与实际试验基本一致。折叠搁架在设计时应尽量减小运动副接触面积，后搁架设计时要保证结构强度要求，负载时的变形量应不超过前搁架上表面与后搁架下表面之间的间隙，以及避免推拉时前后搁架接触增大阻力。根据研究表明，利用有限元仿真方法对折叠搁架进行优化，极大地减小了推拉阻力，有效减少了冰箱折叠搁架存在的设计问题。