趙守振 孫運會

蘇州三星電子有限公司 蘇州

　　摘要：利用HyperWorks軟件建立冰箱門的有限元模型，通過溫度場分析計算出門蓋的應力和變形，結合計算結果分析查找處門蓋開裂的原因，在此基礎上對門蓋的結構進行了改善，并對改善后的結構進行了有限元分析，在滿足強度要求的前提下，實現更具成本競爭力的開發目標。

　　關鍵詞：冰箱門蓋，溫度循環，應力

　　0概述

　　隨著國內家電品牌的發展和日益成熟，家電行業的競爭日趨激烈，國內外品牌家電廠商除了重視產品的外觀之外，愈來愈重視技術革新和成本競爭力。控制原材料成本已成為產品開發中的重要環節。降成本開發可以從簡化產品結構、控制生產工藝等多方面考慮，其中采用更具成本優勢的材料是成本管控的技術手段之一。

　　本公司在開發某型號的冰箱時，為了管控成本，研討HIPS（高抗沖擊聚苯乙烯）替代ABS工程塑料在冰箱門體蓋板上的應用。冰箱門由上門蓋、下門蓋、鋼板、內膽以及發泡料組成。上下門蓋裝配在冰箱門兩端,它通常是由ABS 注塑成型,在冰箱門上起到固定門體的作用。門蓋材料由ABS變更為HIPS后，在門體溫度循環試驗中門蓋發生開裂現象，本文通過溫度場CAE分析模擬冰箱門在高溫及低溫放置的工況，考查冰箱門蓋的應力和變形情況，查找出門蓋開裂的原因，并對其結構進行了改善。

　　1冰箱門門蓋開裂原因分析

　　在冰箱的開發過程中，需要通過很多信賴性實驗來驗證冰箱整機以及部品的結構及性能。其中冰箱門溫度循環試驗是模擬冰箱門在使用過程中內部低溫外部高溫條件下的變形及失效情況。冰箱門溫度循環試驗是將門體放置變溫室內，將環境溫度設定成從低溫t1升高到高溫t2然后再由高溫降低到低溫的一個循環過程，如圖1所示。

圖1冰箱門溫度循環實驗環境溫度變化

　　冰箱門門蓋材料由ABS變更為HIPS后，上門蓋和下門蓋在門體溫度循環實驗中均發生開裂現象，而且是在低溫環境下發生的，開裂部位發生在門蓋頂面的中間處，如圖2所示。通過圖片可以看出，裂紋是從門蓋的前邊緣開始逐漸向后開裂的。

圖2 冰箱變溫門門蓋開裂實物圖片

　　開裂原因主要從門蓋材料、結構、以及注塑成型工藝方面進行分析。與ABS相比，HIPS的強度和韌性都要差，并且熱膨脹系數大，在溫度急劇變化的情況下變形較大，所以門蓋材料的變更是開裂的因素之一。其次在結構上，為了美觀門蓋的邊緣與鋼板裝配處采用平面倒斜角的形式，導致外邊緣處強度降低。在注塑工藝方面，上門蓋采用三點式進膠，中間部位存在澆口，下門蓋采用兩點式進膠，中間部位存在熔接線，在澆口和熔接線附近會產生殘余應力，這種殘余應力的存在會加劇門蓋在中間部位開裂的風險。

　　2有限元模型的建立

　　基于定性地分析冰箱門門蓋開裂的原因的基礎上，為了驗證分析的正確性以及定量地計算出在熱脹冷縮時門蓋的應力，使用HyperMesh、RADIOSS軟件對冰箱門進行溫度場模擬，分析查找出門蓋開裂的原因，并在此基礎上對其結構進行改善。

　　2.1網格劃分

　　冰箱門由上門蓋、下門蓋、鋼板、內膽以及發泡料組成，為了保證計算精度，上下門蓋采用尺寸較小的體網格劃分，避免采用面網格簡化而產生的誤差。鋼板和內膽采用面網格劃分，發泡料采用體網格，鋼板和上下門蓋裝配處采用節點融合以模擬兩個零件的裝配，如圖3所示。有限元模型的節點數和單元數如表1所示。

表1冰箱門節點和單元數

圖3 冰箱門有限元模型

　　2.2材料與屬性

　　冰箱門組件上門蓋、下門蓋、鋼板、內膽以及發泡料本次分析中各零部件所使用的材料參數如表2所示。

表2各零部件所用材料參數表

　　2.3邊界條件的定義

　　冰箱門溫度循環試驗是將門體放置變溫室內，將環境溫度設定成從低溫升高到高溫然后再由高溫降低到低溫的循環過程。因為各個部品的材料參數是在常溫下測定的數據，所以為了模擬這種實驗工況，在HyperMesh中需要將高低溫循環的過程分解為從室溫到低溫和從室溫到高溫兩個工況:工況1室溫至低溫過程；工況2室溫至高溫過程。

　　實際實驗環境中整個門體是自由狀態、沒有約束的，而在有限元分析中模型如果沒有約束，計算結果是不收斂的，通常情況下的解決方法是人為地對模型施加一個約束，但這樣仿真結果往往與實際工況不符。如果載荷條件完全對稱的情況下，載荷本身就是一種約束，不需要額外添加約束計算結果也可以是收斂的。本次溫度場分析，溫度載荷相對門體是完全對稱的，所以可以不需要額外人為地添加約束，以確保仿真結果與實際工況相符。

　　2.4計算結果與分析

圖4工況1 門體整體變形云圖（HIPS）        圖5工況2 門體整體變形云圖（HIPS）

圖6工況1 上門蓋應力云圖（HIPS）             圖7工況2 上門蓋應力云圖（HIPS）

圖8工況1 下門蓋應力云圖（HIPS）            圖9工況2 下門蓋應力云圖（HIPS）

表3計算結果數據

分析結果表明，工況1室溫至低溫的情況下門蓋的應力和變形較大，即門蓋開裂是由低溫時的收縮引起的，這與實驗結果是一致的，最大應力發生在上下門蓋的前邊緣的中間部位，與實際斷裂部位也是吻合的，材料由ABS變更到HIPS后，由于HIPS的強度極限較小，安全系數由2.0降低到1.3，最大變形也由增加到。再加上實際實驗中高低溫循環的累計效應，實際應力大于仿真值，所以門蓋會發生開裂。

　　3冰箱門門蓋結構改善以及CAE計算

　　為了達到降成本開發的目標，在使用HIPS材料的前提下，通過改善門蓋的結構，使其滿足強度設計要求。塑料件的結構改善無外乎從增加壁厚和增加加強筋兩方面入手。針對冰箱門上下門蓋的改善，提出以下兩種改善方案：

　　方案一

　　上門蓋：頂面加厚，外邊緣改為R0.5的導圓角，縱向筋的一端延伸到端部。

　　下門蓋：頂面加厚，外邊緣改為R0.5的導圓角，增加縱向及橫向的筋。

　　方案二

　　上門蓋：在方案一的基礎上縱向筋的另一端也延伸到底部，增加一條橫向的筋。

　　下門蓋：在方案一的基礎上將內部筋的高度增加到2mm。

圖10原始方案上門蓋結構圖                圖11原始方案下門蓋結構圖

 
　　圖12方案一上門蓋結構圖                  圖13方案一下門蓋結構圖

圖14方案二上門蓋結構圖                  圖15方案二下門蓋結構圖

　　利用HyperMesh軟件分別對上述兩種改善方案分別進行CAE分析，結果數據如表3所示。對比兩種方案可以看出，方案二改善效果明顯，門蓋安全系數增加到2.0以上，已經高于使用ABS材料時的安全系數，門體整體變形也由減小到，上下門蓋重量分別增加和，由于HIPS比ABS便宜，即使重量稍有增加也能達到降成本開發的目標。

表3改善方案計算結果數據

　　4結論

　　本文利用HyperWorks有限元分析軟件，對冰箱門進行了CAE溫度場分析，查找出門蓋開裂的原因，并針對其薄弱部位進行加強改善，在滿足強度要求的前提下，實現更具成本優勢的材質替換目標。同時，還探討了約束條件的設定對計算結果是否收斂的影響，得出在載荷工況對稱的條件下無需施加約束也能計算收斂的結論。本文是HyperWorks軟件應用在家電行業溫度場分析的成功案例，借助CAE分析工具，實現品質提升和成本競爭力強化的研發目標。

　　5參考文獻

[1]張峰.冰箱塑料堵蓋開裂的原因分析及對策.塑料工業.2007年第6期

[2]申開智.塑料制品設計方法及應用實例.國防工業出版社.2006