基于多体动力学仿真的冰箱助吸器优化设计

□ 韩丽丽 □ 张升刚 □ 王美艳 □ 杨帅岭 □ 杨大海

海信(山东)冰箱有限公司 山东青岛 266000

1 优化设计背景

随着我国经济的发展,消费者的购买力及对生活品质的要求不断提升,大容积多门、对开门高端冰箱的销售比重持续攀升,成为冰箱行业的发展趋势[1-2]。对于高端冰箱而言,用户体验尤为重要。翻转梁是多门冰箱冷藏室左侧门上的部件[3],是为防止冷藏室左右门之间的间隙泄漏冷气而设计的。对于带有翻转梁的门体系统而言,由于其运动涉及与助吸器的运动相互配合,因此结构复杂。其中,助吸器作为受力部件,其结构设计是整个系统的核心。由于门体系统仿真属于多体动力学仿真,且涉及刚柔耦合,因此计算较为复杂[4-6]。在前期研发阶段,助吸器的结构参数均依据工程师的经验进行设计,从而造成某款高端冰箱设计完成后,在关门力小于50 N时，关门过助吸器蓄力点后在不施加外力及无惯性速度情况下,门体多处小角度出现悬停现象,影响用户体验。笔者基于计算机仿真,分析门体系统关门过程的能量变化，进行助吸器的设计和性能评估,优化助吸器与铰链接触位置的外轮廓和力臂截面，进而完成助吸器的结构优化[7-8]。门体系统结构俯视图如图1所示。

2 优化设计思路

笔者对现有助吸器进行优化设计,实现以下性能要求:

(1) 助吸器助力门体翻转梁自闭,开门小角度均可靠自闭;

(2) 开关门平缓顺畅,助吸器过与铰链接触高点的关门力应平缓增大,助吸器变形连续,没有顿挫感和明显噪声；

(3) 最大开关门力不大于50 N；

(4) 助吸器应通过10万次开关门测试,没有断裂风险。

助吸器优化设计思路如下:针对门体在任意小角度均要求可靠自闭,得到翻转梁翻转过程随关门角度变化的阻力扭矩,进而确定助吸器需要达到的助力扭矩，助力扭矩大小为助吸器和铰链间的接触力与接触位置到绕铰链转轴轴心的有效力臂的乘积。其中,接触力由助吸器变形量及刚度决定，有效力臂取决于接触点位置到铰链轴心连线长度L，以及该连线与接触位置法向夹角θ。助吸器变形量、助吸器刚度、有效力臂接触点位置到铰链轴心连线长度，以及该连线与接触位置法向夹角为助吸器的设计要素,通过对这些设计要素进行优化,可以得到助吸器的最优结构尺寸。

3 优化设计要素研究

助吸器变形量由助吸器与铰链的过盈量决定,随助力扭矩的变化而变化。助力扭矩主要用于克服翻转梁与导向槽之间的接触阻力,即相应的关门角度为1.8°～8°时所产生的阻力。助吸器变形量随关门角度的变化趋势如图2所示,这一变化趋势可以保证变形量产生的助力扭矩实现门体自闭。考虑到开关门平缓顺畅,变形量在助吸器切入铰链的关门切入点位置开始缓慢增大,以保证用户关门力由小缓慢增大,提高用户体验。关门过程中，力臂变形量缓慢增大。经过最大变形点后，变形量迅速减小,但应保留一定变形量以保证关门后不反弹。基于以上分析，笔者对助吸器头部与铰链接触位置的外轮廓进行优化,以确保助吸器能够达到上述要求。

助吸器结构如图3所示，其力臂形状决定助吸器的抗弯能力及助吸器闭合过程中的储能能力。采用合理的助吸器力臂形状及截面，可以在最少材料用料的情况下,通过材料分布获得最优关门助力效果,并可有效避免助吸器在门体闭合过程中发生翻转。助吸器力臂形状受周边结构影响较大,在门体结构确定后,很难进行更改设计,而助吸器截面则可在允许厚度范围内进行更改。笔者将助吸器助力臂截面形状作为优化变量,以助吸器刚度为目标进行优化设计,确定最佳的助吸器截面形状。

4 仿真优化分析

4.1 变形量

笔者以助吸器与铰链接触位置的外轮廓为设计变量,通过改变助吸器外轮廓尺寸,调节门体闭合过程中助吸器与铰链间的过盈量,从而改变助吸器的变形量。分析门体闭合过程可以发现,助吸器在门体关闭前半程进行储能,在后半程释放储存的能量,达到助力关门的效果。因此,要求助吸器在前半程应尽量多储能,但过多的储能会导致关门困难和助吸器头部过度磨损,所以需限定关门反力矩，且助吸器头部应力应在合理范围内。笔者以应变能最大为目标,以法向接触应力和支反力矩为约束,对助吸器外轮廓进行优化。优化后助吸器有限元网格模型如图4所示。

优化过程中助吸器应变能随迭代次数的变化如图5所示,优化前后应变能的变化如图6所示。由图6可见,经过对助吸器力臂位置轮廓的优化,助吸器的储能能力有明显提升,具有较好的助力效果。

4.2 刚度

助吸器力臂部分的截面形状对门体关闭过程中稳定助吸器的法向位移,减小助吸器应力集中,延长助吸器寿命有重要影响。笔者以助吸器力臂截面为优化设计变量,以关门过程中助吸器优化区域应变能为优化目标,以优化过程中接触力为限制条件,同时设置壁厚等约束,对助吸器力臂进行拓扑优化设计[9-12]。为保证助吸器变形量满足要求,保持优化后的外轮廓,仅对内部材料进行拓扑优化。拓扑优化过程中,优化区域的应变能随迭代次数的变化如图7所示。

迭代过程中助吸器力臂截面材料分布如图8所示,最终得到优化50次后的力臂截面材料分布。

由拓扑优化结果可以看出,助吸器力臂材料为上中下三层对称分布。考虑实际生产中助吸器无法实现中间空腔,因此将上中下三层材料集中在中间层,形成H形助吸器力臂截面形状,如图9所示。助吸器优化前后力臂截面应力分布对比如图10所示，可见,经过优化材料应力分布更加均匀,材料利用率提高。

5 结束语

笔者通过研究冰箱助吸器关门过程中的变形机理,分析了影响助吸器变形的四大变量,并通过多体动力学仿真,完成了助吸器的设计和迭代优化,得到了助吸器的最优结构方案。多体动力学仿真不仅可以从理论上指导助吸器的设计,而且大幅提高了带有翻转梁助吸器系统高端冰箱的用户体验。应用这一方法，可以缩短开发验证周期,提升设计研发效率,具有较高的推广价值。