基于有限元仿真的冰箱门体优化设计

程春明 鲍 敏

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

冰箱门体是冰箱重要组成部分，一直是产品设计、制造、用户使用等各个环节中关注的焦点。其外观造型美观度，关乎到冰箱“脸面”；其强度、刚度，影响到与箱体的配合间隙、密封性等，关系到冰箱整机制冷性能。

市场上现有冰箱门体，为了防止制造过程中变形扭曲，影响产品外观质量，再加上制冷性能和低能耗需求，一般采用过度保守设计，可靠性系数较大。设计的门体比较厚，外形尺寸较大。这样的产品不仅耗用原材料较多、成本较高，而且在制造过程中，相应的工装夹具、工艺装备也较大，设备投入费用也高。再加上门体总体美观度较差，用户体验感也较差。

本文以一款开发中的冰箱门体作为研究对象，拟以减少门体厚度为主要目标，进行相关方案设计及验证。主要通过有限元仿真，对不同厚度的门壳结构、门体组件等进行强度仿真，根据仿真结果不断优化，并通过制作原理样机并进行相关试验验证，进一步验证方案可行性。

1 门体相关参数

门体变形，如图1三维结构图所示，一般指门体宽度W、深度（厚度）D、高度H方向上尺寸的变化量。三个维度方向尺寸的稳定性，决定门体强度、刚度，其变形量大小，不仅影响门体外观，而且其与箱体配合尺寸影响整机性能。

本文研究的门体，主要有上下端盖、门内胆、门面板、发泡层等组成。门面板为预涂钢板，相关材料参数如表1所示。

表1 材料参数表[1]

2 门体仿真分析及验证

本方案采取的门体，主要有门面板（以下简称门壳）、门端盖和门内胆构成腔体，在其腔体内部，填充保温材料。门壳，基材为镀锌钢板的VCM彩板，采用钣金工艺成型；门端盖采用厚度为2.5 mm的ABS注塑而成；门内胆，采用厚度1.5 mm的HIPS吸塑工艺制作；保温材料，主要采用聚氨酯发泡工艺制成。进行仿真分析时，需要对相关部件模型进行简化，降低网格数量，降低运算时间，同时又要提高网格质量，满足精度要求。其中，门内胆、门壳采用壳单元，门饰条、门把手、发泡液采用体单元首先将门体相关部件进行简化，降低网格数量，节约运算时间，同时又要最大限度提升网格质量，满足仿真精度要求。其中，门内胆、门壳采用壳单元，门端盖、门把手、发泡液采用体单元。简化的模型和网格划分参见图2。

2.1 门壳仿真分析

门壳作为门体的重要组成部分，且外形尺寸较大，也是门体变形比较显性化的一个组件，其强度大小对门体影响很大。有必要针对门壳进行重点分析。在门壳总体配合尺寸基本确定的前提下，重点针对门壳（门体）D尺寸（以下称厚度）进行结构强度仿真。具体仿真数据见图3。

从图3中可以看出，门壳厚度从90 mm降到45 mm，按照5 mm的梯度递减，门壳变形数值从2.97 mm减少到2.51 mm，从45 mm继续降到30 mm，门壳变形值却逐渐增加。通过此仿真结果，可以得出初步结论，门壳（体）厚度与变形呈线性反比关系，门壳（体）越薄，强度越好，但在45 mm附近会有拐点。根据此仿真结果，取门壳（门体）厚度45 mm为理论最佳值，作为后续设计及仿真依据。

图1 门体结构图

图2 门体仿真模型图

图3 门壳结构强度仿真

2.2 减薄门体仿真及验证

本文中产品门体原厚度为90 mm左右，根据门壳仿真分析的初步结果，结合冰箱制冷性能需要，先采取门体厚度（D向）直接减薄的方案，如图4所示。将门体最小一侧（如图示门体右侧）厚度确定为45 mm，由于门壳横截面方向带有一定弧度，另一侧厚度如图示门体右侧）约为55 mm左右。按照此方案，对门体中门壳、上下门端盖重新进行设计，并建立网格模型进行仿真分析。

将门体上下端盖设为固定约束，在门体一侧施力后门体受力变形情况，进行仿真分析，结果如图5所示。从仿真结果来看，门体在D方向翘曲最大变形量为2 mm以上。为了验证仿真结果，按照设计方案制作门体样件若干，门体发泡出来后，放在大平台上进行测量，用塞尺测量门体四个拐角与基准平台偏移量，通过计算偏移量的大小来验证门体翘曲变形情况。

从中随机挑选4只门体进行测量，结果如表2所示，所有门体左侧变形量较大，右侧变形量相对较小，而极差值都在1.5 mm以上，效果不是很理想。

从仿真分析和样件实测结果来看，单纯的减薄门体，虽然门壳强度有所增加，但门体整体强度并没有同步增加，还需要进行继续优化。

2.3 门体优化仿真及验证

通过进一步研究分析发现，以上所述门体左侧厚度相对较大，且门壳横截面形状过于单一，尤其是左侧第一道弯边尺寸过小，于是对现有方案进行进一步优化。主要包括两个方面：

1）取消门壳弧度，设置成平面，门壳（门体）D方向尺寸统一为45 mm；

2）将门壳左侧横截面尺寸进行优化，门壳优化前后及优化后门体如图6所示。

按照此优化方案，再次对门体中门壳、上下门端盖重新进行设计，并建立网格模型。将门体上下端盖设为固定约束，在门体左侧施力后观察受力变形情况，进行仿真分析对比，结果如图7所示。

图4 门体减薄设计示意图

图5 门体仿真结果

表2 门体变形实测值

图6 门壳优化前后

图7 门体优化仿真结果对比

表3 门体左侧变形实测值

从仿真数据来看，优化前门体左侧最大变形量为1.2 mm以上，优化后最大变形量减少约为0.3 mm，强度显著提高，变形量明显减小。

为了验证门体优化后的仿真结果，按照2.3所述方案设计制作门体，重点对门体左侧进行位置变形量测量，结果如表3所示，门体变形量大都在0.5 mm左右，门体总体强度明显有所提高，尤其是门体左侧强度提升显著，从而进一步验证优化方案的可行性。

3 总结

本文以一款产品冰箱门体作为研究载体，以门壳为研究建立模型，确定门壳厚度与强度相关度。首先按照对门体直接减薄的方案，建立有限元仿真模型进行分析并制作样机进行验证。再继续对门壳截面进行进一步优化，分别进行仿真对比分析，并通过制作门体进行相关试验验证，门体强度显著提高。

有限元分析方法，可以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。本文提供的彩板门壳门体，厚度减薄，结构简单，成本相对低廉，又能满足强度、相关性能要求，实现资源节约轻量化。