HyperWorks助力全球家電制造商利用新材料實現更強更低成本的產品

技術支持

行業：電子消費品

挑戰：冰箱門蓋的開裂

Altair 解決方案：仿真引領設計

優點：利用更低成本的材料改進強度；評估不同的替代材料，無需昂貴的試驗

背景介紹

韓中合資的蘇州三星電子公司開發和生產主流的家電產品，包括冰箱和洗衣機等。公司不斷尋求新的途徑來提升競爭力，通過在不犧牲產品性能的同時減少材料的使用。

挑戰

“家電產品是競爭非常激烈的市場，”三星電子CAE工程師趙守振說，“所以家電設備制造商在創建新的設計時特別強調技術創新和成本效益。而簡化產品結構和控制生產工藝是成本控制的重要因素，原材料的選擇在降低成本方面起著重要作用。”

因此，蘇州三星考慮改變某些型號的冰箱門蓋設計。冰箱門由上門蓋、下門蓋、鋼板、內膽以及發泡料組成。ABS工程塑料通常是通過注塑成型而制成，用在上門蓋和下門蓋上，被安裝在門端，固定門的位置。

為了控制成本，公司試圖用高沖擊聚苯乙烯，或HIPS來替代門蓋的ABS材料進行注塑成型。不幸的是，在物理試驗中，HIPS制成的門蓋在溫度循環試驗中發生了開裂。

“HyperWorks提升了我們產品的質量，同時獲得競爭的價格優勢，也增強了我們的研發能力并達到產品研發的目標。”

趙守振

CAE工程師

蘇州三星電子公司

解決方案

在這些測試中，門放置于變溫室內，溫度起初先降低到令人不寒而栗的水平，然后提升到高溫狀態，最后再降到冰點。在這個溫度循環過程中，由HIPS材料制成的冰箱上下門蓋的頂部表面發生了開裂，裂紋開始于門蓋前邊緣的中間位置。

蘇州三星的工程師開始對材料、結構和注塑成型流程進行分析，找出開裂的原因。他們知道相比ABS，HIPS的強度和韌性要差一些，并且熱膨脹系數要大，在溫度急劇變化的情況下變形較大。顯而易見，材料的改變是導致開裂的主要因素。其次，出于美觀的角度，門蓋的邊緣采用了平面倒斜角的形式，導致了外邊緣強度的降低。在注塑成型的過程中，上門蓋采用三點進膠，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。找到這些因素之后，工程師們試圖驗證他們的物理分析，找出HIPS門蓋設計的改進方法，從而消除開裂現象。

仿真分析指出，在工況1中，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改為HIPS后，安全系數由2.0 降低到1.3，由于HIPS更低的應力限制，最大變形也由2.8mm增加到3.3mm。再加上溫度循環累計的效應，所以門蓋會發生開裂。工程師接下去開始評估防止開裂的方法，從增加門蓋頂部表面的厚度和增加縱向和橫向加強筋開始。

“我們提出了兩種改進方案，然后利用HyperWorks分別進行CAE分析，”趙工說，“經過分析，延長加強筋的長度和高度的方案將門蓋的安全系數增加到2.0，和ABS材料的安全系數一樣。”門體整體變形也由3.3mm減小到2.3mm（超過ABS），盡管上下門蓋重量分別增加27.6g和17.5g，HIPS的成本還是少于ABS；所以即使重量稍有增加，HIPS還是降低了整體的材料成本。