圣 潔 湯申杰 陳 俊 王 姣

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著生活水平的提高，用戶對(duì)冰箱間室分區(qū)要求越來(lái)越高，多門冰箱也就因勢(shì)而出，而中梁作為冰箱產(chǎn)品的主干結(jié)構(gòu)，關(guān)系著冰箱各個(gè)間室門的密封性和同面度。

而在實(shí)際的冰箱產(chǎn)品的生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)橹辛旱淖冃螌?dǎo)致各個(gè)間室門存在密封不嚴(yán)或者平整度不高的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致冰箱凝露或者外觀品質(zhì)降低[1]。因此如何合理經(jīng)濟(jì)的加強(qiáng)中梁強(qiáng)度，減少中梁變形問(wèn)題成為迫切需要解決的問(wèn)題。

本文簡(jiǎn)述冰箱中梁組件優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，利用有限元對(duì)中梁組件進(jìn)行靜力學(xué)分析，模擬中梁在實(shí)際冰箱裝配中的變形情況，借此判斷冰箱中梁組件的強(qiáng)度薄弱點(diǎn)和變形的根本原因。

1 冰箱中梁結(jié)構(gòu)分析

冰箱中梁為冰箱的主要支撐結(jié)構(gòu)，其連接了冰箱箱體和門體，在冰箱使用過(guò)程中，作為主要承重結(jié)果承載著門體的開(kāi)關(guān)過(guò)程。如圖1所示為某四門冰箱，該四門冰箱中梁位于冰箱中部，是固定門體的支撐結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，中梁的結(jié)構(gòu)及剛強(qiáng)度不但影響左右對(duì)開(kāi)兩個(gè)間室門的平整度，也影響上下兩個(gè)間室門的平整度。

圖1 中梁結(jié)構(gòu)

中梁對(duì)間室門的裝配細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1（b）及圖1（c）所示（中梁結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱），中合頁(yè)用螺釘+螺栓固定在箱體上，用以支撐冰箱各個(gè)間室門體。而為加強(qiáng)中梁固定門體后的平整度，中梁背面焊有加強(qiáng)板，如圖1（d）所示，加強(qiáng)板為門體固定后的受力結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度對(duì)各間室門體的平整度有很大影響。

2 模型的建立

有限元模型通常包含離散化的幾何模型、單元特性、材料屬性、載荷和邊界條件、分析類型以及輸出結(jié)果。

2.1 離散化幾何模型

離散化即將用有限個(gè)單元逼近復(fù)雜的幾何形狀，通常單元數(shù)量越多，密度越大，計(jì)算精度就越高。但單元數(shù)量的增加對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求也越高，計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算量，通常對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，針對(duì)本文中的冰箱中梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：

1）刪除不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的圓角、螺紋孔等特征；

2）螺釘連接采用梁?jiǎn)卧M。

采用Hex Dominant網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示，劃分完成后單元數(shù)量為102 900，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為495 941。

圖2 中梁有限元模型

2.2 材料屬性

中梁、合頁(yè)以及加強(qiáng)板的材料屬性見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

2.3 邊界條件及載荷條件

中梁組件通過(guò)中梁左右側(cè)四個(gè)固定孔固定，單側(cè)門重量為10 kg，通過(guò)重力和力矩加載在合頁(yè)上。

3 有限元分析

根據(jù)上述方式定義模型并進(jìn)行分析計(jì)算后，可得到中梁組件的變形云圖信息，通過(guò)此信息可以判斷強(qiáng)度薄弱區(qū)域及其變形尺寸，如圖3所示。

圖3 中梁組件變形云圖

通過(guò)變形云圖可知，中梁組件的最大變形為0.68 mm，此變形量已超過(guò)工藝允許范圍，導(dǎo)致門最遠(yuǎn)端產(chǎn)生下墜，影響冰箱的外觀及使用性。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的中梁加強(qiáng)基本采用增加中梁或者加強(qiáng)板壁厚來(lái)提高強(qiáng)度，但是改進(jìn)后效果不明顯但成本增加較多。

而根據(jù)中梁組件的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)了受力較大區(qū)域?yàn)楹享?yè)的螺釘及螺栓固定處，而合頁(yè)螺栓固定于加強(qiáng)板上，但螺釘固定處沒(méi)有加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵訌?qiáng)板在合頁(yè)固定處只有中間兩顆螺栓參與連接，而在螺釘固定處合頁(yè)僅固定在中梁上，因中梁壁厚較薄，強(qiáng)度不夠。因此如何將合頁(yè)固定于加強(qiáng)板上，使加強(qiáng)板與合頁(yè)多一個(gè)螺釘固定，合頁(yè)受力時(shí)，螺釘固定處結(jié)構(gòu)也是著力于加強(qiáng)板上而不是直接著力于中梁上。

此更改主要對(duì)加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加加強(qiáng)板及其與中梁、合頁(yè)的連接剛度，如圖3所示為加強(qiáng)板改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)形式。

圖3 加強(qiáng)板改進(jìn)前后對(duì)比

改進(jìn)前中梁組件與門框通過(guò)中梁連接，改進(jìn)后直接通過(guò)加強(qiáng)板與門框連接，對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化后對(duì)中梁組件變形云圖如圖4所示。數(shù)據(jù)顯示改進(jìn)后中梁最大變形為0.38 mm，較優(yōu)化前變形量減少了0.3 mm，改善明顯。

圖4 改進(jìn)后中梁組件變形云圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為實(shí)際驗(yàn)證有限元分析結(jié)果是否正確，針對(duì)更改前后的加強(qiáng)板狀態(tài)各抽檢了十臺(tái)樣本冰箱，針對(duì)兩種開(kāi)關(guān)門方式對(duì)各個(gè)間室門不同面尺寸進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，更改前結(jié)果如圖5所示，更改后結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量對(duì)比，與有限元分析后的結(jié)果對(duì)比基本一致。

圖5 改進(jìn)前門不同面數(shù)據(jù)

圖6 改進(jìn)后門不同面數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以冰箱中梁組件為研究對(duì)象，采用有限元軟件對(duì)冰箱梁合頁(yè)組件進(jìn)行應(yīng)力分析，再結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了有限元分析的合理性。同時(shí)說(shuō)明有限元分析梁祖建結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力和箱體變形的方向與實(shí)際情況相符，可以為后期冰箱其他零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提供參考。通過(guò)有限元分析，可以減少零部件在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中的周期，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。