基于落球实验的冰箱钢板门护板优化设计与分析

程旺，张谷峰，王海波，常见虎

(合肥美的电冰箱股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

冰箱运输中由于包装防护不足、夹持机未定期校核、仓储运输不规范、人工作业变数大等问题的存在，导致冰箱受跌落或异物冲击时外观损伤，直接影响到产品的开箱合格率和损坏率。钢板门的磕碰与划伤是钢板门冰箱外观损伤的主要问题，以美的公司(以下简称“公司”)某款对开门冰箱的统计数据为例：正面不良占比66%，棱边不良占比23%，角部占比11%。因此，须重点提高门护板的正面防护能力。而实际生产中，为降低制造成本，门体防护板需设置多种减料孔，其几何形状和分布情况也会对门护板的防护性能产生重要影响。传统的“设计-实验-再设计”循环方法，因实验数据量有限，很难在测试结果中分析失效原因[1]。有限元仿真可有效避免上述问题[2]，采用冰箱包装仿真分析的方法，可有效模拟冰箱受异物冲击时的变形及受力情况，快速判断各参数对防护性能的影响，为结构优化及护板标准化提供理论依据。公司前期委托华南理工大学对冰箱常用材料进行力学性能测试[3-5]，为提高冰箱有限元分析精度提供了基础[6]。基于此，本文重点对测试冰箱正面防护能力的落球实验进行仿真研究。

1 有限元模型建立

实验室落球实验主要采用2 kg 的钢球从1 m高度随机跌落在箱体表面，来模拟冰箱受楼梯或异物正面集中冲击时的防护性能，示意图如图1(a)所示。在正面落球实验时，箱体等其他结构通过门封对门体起支撑作用，采用如图1(b)所示的单门进行落球测试，防护效果与整机测试所得相同。因此，仿真建模时可以只保留小球、门封、门体、护板、瓦楞纸等部分结构，其他部件予以忽略。隐藏瓦楞纸网格的仿真模型如图1(c)所示，其中：门上下端盖、内胆、门板等薄壁结构使用壳单元离散，网格数约10 万个；聚氨酯泡层采用实体单元，网格数约66万个；因泡层与周边部件有很好的粘接作用，一般很少出现脱粘的情况[7]，特使用点对点的梁单元连接泡层与周边部件单元，用以模拟上述粘接作用，梁单元网格数量约6 万个。单元的总体目标尺寸为8 mm，根据护板厚度和小球直径大小将其目标尺寸调整成4 mm，并按照公司《冰箱包装跌落仿真标准》校准网格质量。

图1 落球实验与仿真模型

由于落球分析是个复杂的过程，涉及材料非线性、接触非线性以及几何非线性，一般采用显示积分算法进行求解[6]。仿真模型中涉及的材料有DX51D 镀锌门板，HIPS 内胆，ABS 端盖，PU 聚氨酯泡层、EPS 护板(聚苯乙烯泡沫)，瓦楞纸等，相关材料由华南理工大学通过万能材料试验机，液压高速拉伸机，落锤式冲击试验机等设备获取，并建立材料数据库，详细可见相关论文[3-5]。材料参数包括DX51D，HIPS、ABS 等材料在中低应变率下的材料性能数据，PU 聚氨酯泡层及不同密度的EPS 护板在不同速度下的冲击时程曲线，位移时程曲线和应力应变曲线等特性参数[3]。部分常用材料参数如表1 所示。其中EPS 护板的密度对其防护性能有重要影响，一般密度越大，防护性能越好，受二次冲击时防护性能衰减也越小。综合考虑护板的制造成本和防护性能，公司采用22 kg/m3的EPS 作为基材(简称EPS22)。

表1 材料参数

为提高计算效率，计算时可忽略小球自由下落过程[8]。根据速度v，重力加速度g 和自由落体高度h 之间的关系式v= 2gh，求出小球从1000 mm的高度自由落下，与包装箱接触瞬间的冲击速度为4427 mm/s。

2 防护性能对比

为验证瓦楞纸、EPS 护板对门体的保护性能，进行以下落球实验及仿真分析，内容包括：

(1)无防护：分析门体在无防护状态下，落球对门体造成的冲击；

(2)瓦楞纸：分析只有瓦楞纸保护下，落球对门体的造成的冲击，得出瓦楞纸的保护性能。仿真模型未考虑瓦楞纸被小球击穿破裂情况；

(3)EPS 护板：分析只有EPS 护板保护下，落球对门体的造成的冲击，得出EPS 护板的保护能力；

(4) 瓦楞纸和EPS：分析落球冲击时瓦楞纸和EPS 护板对门体的共同防护作用。

上述部分实验结果如图2 所示，图中无防护门板受落球冲击后变形明显；单独使用瓦楞纸防护，门板变形面积和凹瘪深度均有所减小，但变形仍明显可见；单独使用20 mm 厚的EPS22 护板，以及护板与瓦楞纸复合使用，门板受小球冲击后无人眼可见变形。

图2 实验门板变形图

冲击类分析一般采用应力、应变、位移等参数作为判定标准。因落球实验以是否有人眼可见变形为判断依据，采用应变作为判定标准更能反映实际情况。公司《冰箱包装跌落仿真标准》根据不同的实验指定不同的判断标准，其中规定落球实验中金属件最大塑变小于0.1%时，等同无人眼可见变形。上述分析所得门板塑变云图如图3 所示，图中塑变值大于0.1%设置为红色，相应状态下门板最大塑变值如表2 所示。从中可知，门体无防护，门板发生塑性面积最大，变形明显，人眼可见；单独使用瓦楞纸防护，门板发生塑变面积和深度有所减小，但仍有人眼可见变形；单独使用20 mm 厚的EPS 护板防护门体，门壳虽有一定变形，但变形不明显，人眼不易察觉。瓦楞纸和护板复合使用，门板无塑变，可以对门板提供有效防护。分析结果与实验结果一致，因此，可以得出仿真模型的可靠性较好。

图3 门板塑变云图

表2 不同防护状态下门板最大塑变值

3 落球点对防护性能的影响

由于小球的随机跌落无法控制落球点的位置，因此，需要考虑护板的各结构对防护性能的影响。以图4 所示的某护板为例，其正面设有减重槽和减重孔，为保证落球点在任意位置都能通过落球试验，需对落球点在减重槽和减重孔内部及周边时进行重点分析。

图4 护板结构图

3.1 减重槽的影响

图4 所示的护板在厚20 mm 的基材上设有10 mm 深的减重槽。当小球落到减重槽区域时，其防护性能与平面区域有明显差异。分析以小球落点在减重槽侧壁为原点，向减重槽偏移为负，反向偏移为正。因减重槽宽度仅为40 mm，分析在偏距在正负20 mm 区间，每5 mm 计算一次。将仿真分析所得各偏距下门板最大塑变值进行整理，可得表3。落球点在减重槽内部及周边，各偏距下的门板最大塑变值均小于0.1%。在厚20 mm 的基材上设置宽40 mm，深10 mm 的减重槽，可通过落球测试。门板在进行相关实验后，人眼所见落球点表面与未测试区域相同，不再赘述。采用增大减重槽的深度和宽度来降低生产成本，涉及扑倒测试和斜面冲击测试，研究量巨大，另文阐述。

表3 减重槽区域各偏距下的门板最大塑变值

3.2 减重孔的影响

已有落球实验结果表明，当小球落在减重孔内部，门板将有明显凹瘪。因此，需对落球点在减重孔周边及减重孔内部进行详细分析。

3.2.1 减重孔侧边偏距的影响

现有护板设计方案减重孔宽80 mm，为分析落球点在减重孔周边或内部时减重孔对门板防护性能的影响，仿真分析以小球落点在减重孔侧边为原点，向减重孔偏移为负，反向偏移为正，仿真过程中每5 mm 计算一次，偏距定在正负40 mm 区间，从而得出门板塑变趋势。图5 给出了偏距标注方法及仿真所得部分偏距下门板的塑变云图，其中设置塑变值大于0.1%显示为红色。从图中可知：小球落在减重孔内部，偏距越大，塑变区域越大。

图5 减重孔侧边偏距标注方法及门板塑变云图

表4 给出了各偏距下仿真所得门板最大塑变值，落球点在减重孔内部时，当偏距小于5 mm 才能通过跌落测试；偏距在5 至40 mm 区间时，门板将有人眼可见塑性变形，且偏距越大，变形越明显；落球点在减重孔周边实体区域，护板可有效防护门板。

3.2.2 减重孔宽度的影响

减重孔的宽度，直接决定小球落在减重孔内部时，护板是否能够提供有效缓冲。分析以减重孔宽度为变量，在20 mm 至80 mm 区间每5 mm 计算一次，小球落在减重孔中间。部分宽度下门板的塑变云图如图6 所示，图中塑变值大于0.1%显示为红色。

图6 各减重孔宽度下的门板塑变云图

根据图6 和表5 可知，门板发生塑变区域和塑变值与减重孔宽度成正比，宽度越小，发生塑变面积越小，塑变值也越小，直至未发生塑变。

表4 减重孔顶端各偏距下的门板最大塑变值

表5 减重孔宽度对门板塑变值的影响

4 仿真结果分析与优化设计

优化方案以降低减重孔宽度为出发点，使得落球点在减重孔内部任意位置时，均有一部分护板起到缓冲作用。对表5 计算结果进行分析：

(1) 原方案减重孔宽为80 mm，当落球点在减重孔内偏距10 mm 时，只有减重孔右侧护板提供缓冲作用，如图7(a)所示的；

(2) 图7(b)所示的减重孔宽为35 mm，落球点在减重孔内偏距同样是10 mm，此时减重孔左右两侧护板均提供缓冲作用，优于80 mm 宽减重孔的受力分布。同时，此工况下门板塑变0.01%，低于0.1%的许用塑变值。

(3)图7(c)给出了减重孔宽35 mm 时，忽略右侧护板受压时对小球的水平推动。根据计算，当减重孔右侧护板下压9.5 mm 后，左侧护板开始与小球接触，此时小球最低点离门板还有10.5 mm 间距。随着小球进一步的下压，减重孔左右两侧护板同时承受落球的冲击力。

图7 偏距-10 mm护板受力区域图

经分析计算得知，护板减重孔宽为35 mm 时，在各偏距的落球冲击下，门板最大塑变均低于0.1%，可对门体提供有效保护。因此，确定优化方案减重孔宽35 mm。

护板原设计方案如图4 所示，减重孔宽80 mm，5 排2 孔布置；将此护板减重孔宽度优化成35 mm，同时采用5 排5 孔布置，得图8(a)所示的优化方案。护板原方案重279 g，优化方案重272 g，减重7 g，达到优化方案不得重于原方案的要求。为快速验证方案可行性，将一定宽度的同密度切割件粘在减重孔一侧，切割件和减重孔另一侧相距35 mm，制作成图8(b)所示的手板件。为保证落球点的准确，在摸底试验中，引入图8(c)所示长1000 mm 的塑料管起导向作用；实验只选取部分瓦楞纸以便于观察定位。经实验发现，手板件可以顺利通过落球实验，由此证明，此护板的优化方案有效。

图8 优化方案及摸底试验

在不增加护板重量的基础上，进一步降低减重孔宽度，须增加每排减重孔的数量，从而减少减重孔之间的物料，导致此处易发生断裂。优化前须咨询相关结构设计及生产人员，讨论断裂问题。上述减重孔宽35 mm ，采用5 排5 孔布置的优化方案可满足要求，已进入落地转化阶段。

5 结论

针对冰箱在运输中门体受损的主要原因，本文结合试验结果，首先建立了冰箱门体和部分外包装的有限元模型，对比分析了门体在无防护、只有瓦楞纸防护、只有EPS 护板防护、瓦楞纸和护板共同防护等4 种情况下，钢板门受落球冲击时门板塑变情况，并与相关实验进行对比，证明此仿真模型的准确可靠。其次，对影响护板缓冲性能的两个结构减重槽和减重孔进行仿真分析，结果表明减重槽结构设计合理，可对门板提供有效保护；当减重孔宽度大于35 mm 时，门板将受落球冲击变形，确定减重孔宽度的最优值为35 mm。最后根据分析结果对某护板进行结构优化，给出设计方案，并通过手板验证优化方案的合理性，为后续护板标准化提供理论依据。