基于HyperWorks的冰箱门温度场有限元分析

 

赵守振 孙运会

 

苏州三星电子有限公司 苏州 215021

 

摘要：利用HyperWorks软件建立冰箱门的有限元模型，通过温度场分析计算出门盖的应力和变形，结合计算结果分析查找处门盖开裂的原因，在此基础上对门盖的结构进行了改善，并对改善后的结构进行了有限元分析，在满足强度要求的前提下，实现更具成本竞争力的开发目标。

关键词：冰箱门盖，温度循环，应力

 

0 概述

 

    随着国内家电品牌的发展和日益成熟，家电行业的竞争日趋激烈，国内外品牌家电厂商除了重视产品的外观之外，愈来愈重视技术革新和成本竞争力。控制原材料成本已成为产品开发中的重要环节。降成本开发可以从简化产品结构、控制生产工艺等多方面考虑，其中采用更具成本优势的材料是成本管控的技术手段之一。

    本公司在开发某型号的冰箱时，为了管控成本，研讨HIPS（高抗冲击聚苯乙烯）替代ABS工程塑料在冰箱门体盖板上的应用。冰箱门由上门盖、下门盖、钢板、内胆以及发泡料组成。上下门盖装配在冰箱门两端,它通常是由ABS 注塑成型,在冰箱门上起到固定门体的作用。门盖材料由ABS变更为HIPS后，在门体温度循环试验中门盖发生开裂现象，本文通过温度场CAE分析模拟冰箱门在高温及低温放置的工况，考查冰箱门盖的应力和变形情况，查找出门盖开裂的原因，并对其结构进行了改善。

 

1 冰箱门门盖开裂原因分析

 

    在冰箱的开发过程中，需要通过很多信赖性实验来验证冰箱整机以及部品的结构及性能。其中冰箱门温度循环试验是模拟冰箱门在使用过程中内部低温外部高温条件下的变形及失效情况。冰箱门温度循环试验是将门体放置变温室内，将环境温度设定成从低温t1升高到高温t2然后再由高温降低到低温的一个循环过程，如图1所示。

 

http://s16/mw690/80a5ae31h7be235a4045f&690

图1 冰箱门温度循环实验环境温度变化

 

    冰箱门门盖材料由ABS变更为HIPS后，上门盖和下门盖在门体温度循环实验中均发生开裂现象，而且是在低温环境下发生的，开裂部位发生在门盖顶面的中间处，如图2所示。通过图片可以看出，裂纹是从门盖的前边缘开始逐渐向后开裂的。

 

http://s10/mw690/80a5ae31hd6d619605399&690

图2 冰箱变温门门盖开裂实物图片

 

    开裂原因主要从门盖材料、结构、以及注塑成型工艺方面进行分析。与ABS相比，HIPS的强度和韧性都要差，并且热膨胀系数大，在温度急剧变化的情况下变形较大，所以门盖材料的变更是开裂的因素之一。其次在结构上，为了美观门盖的边缘与钢板装配处采用平面倒斜角的形式，导致外边缘处强度降低。在注塑工艺方面，上门盖采用三点式进胶，中间部位存在浇口，下门盖采用两点式进胶，中间部位存在熔接线，在浇口和熔接线附近会产生残余应力，这种残余应力的存在会加剧门盖在中间部位开裂的风险。

 

2 有限元模型的建立

 

    基于定性地分析冰箱门门盖开裂的原因的基础上，为了验证分析的正确性以及定量地计算出在热胀冷缩时门盖的应力，使用HyperMesh、RADIOSS软件对冰箱门进行温度场模拟，分析查找出门盖开裂的原因，并在此基础上对其结构进行改善。

 

2.1 网格划分

 

    冰箱门由上门盖、下门盖、钢板、内胆以及发泡料组成，为了保证计算精度，上下门盖采用尺寸较小的体网格划分，避免采用面网格简化而产生的误差。钢板和内胆采用面网格划分，发泡料采用体网格，钢板和上下门盖装配处采用节点融合以模拟两个零件的装配，如图3所示。有限元模型的节点数和单元数如表1所示。

表1 冰箱门节点和单元数

       

http://s3/mw690/80a5ae31hd6d61a7755e2&690

图3 冰箱门有限元模型

 

2.2 材料与属性

 

    冰箱门组件上门盖、下门盖、钢板、内胆以及发泡料本次分析中各零部件所使用的材料参数如表2所示。

表2 各零部件所用材料参数表

 

2.3 边界条件的定义

 

    冰箱门温度循环试验是将门体放置变温室内，将环境温度设定成从低温升高到高温然后再由高温降低到低温的循环过程。因为各个部品的材料参数是在常温下测定的数据，所以为了模拟这种实验工况，在HyperMesh中需要将高低温循环的过程分解为从室温到低温和从室温到高温两个工况:工况1室温至低温过程；工况2室温至高温过程。

    实际实验环境中整个门体是自由状态、没有约束的，而在有限元分析中模型如果没有约束，计算结果是不收敛的，通常情况下的解决方法是人为地对模型施加一个约束，但这样仿真结果往往与实际工况不符。如果载荷条件完全对称的情况下，载荷本身就是一种约束，不需要额外添加约束计算结果也可以是收敛的。本次温度场分析，温度载荷相对门体是完全对称的，所以可以不需要额外人为地添加约束，以确保仿真结果与实际工况相符。

 

2.4 计算结果与分析

                        

http://s6/mw690/80a5ae31hd6d6211ccd25&690   http://s14/mw690/80a5ae31h7be236895add&690

http://s9/mw690/80a5ae31hd6d621ff4968&690   http://s6/mw690/80a5ae31hd6d6223c45b5&690

图4 工况1 门体整体变形云图（HIPS）          图5 工况2 门体整体变形云图（HIPS）

http://s8/mw690/80a5ae31h7be236e19167&690   http://s7/mw690/80a5ae31hd6d624fcf096&690
http://s9/mw690/80a5ae31hd6d625c989c8&690             http://s6/mw690/80a5ae31hd6d626127355&690

图6 工况1 上门盖应力云图（HIPS）         图7 工况2 上门盖应力云图（HIPS）

http://s6/mw690/80a5ae31hd6d627775d65&690     http://s8/mw690/80a5ae31hd6d627b64717&690
http://s7/mw690/80a5ae31h7be2373e1f16&690            http://s9/mw690/80a5ae31hd6d628ae7f98&690

图8 工况1 下门盖应力云图（HIPS）         图9 工况2 下门盖应力云图（HIPS）

表3 计算结果数据

 

    分析结果表明，工况1室温至低温的情况下门盖的应力和变形较大，即门盖开裂是由低温时的收缩引起的，这与实验结果是一致的，最大应力发生在上下门盖的前边缘的中间部位，与实际断裂部位也是吻合的，材料由ABS变更到HIPS后，由于HIPS的强度极限较小，安全系数由2.0降低到1.3，最大变形也由2.8mm增加到3.3mm。再加上实际实验中高低温循环的累计效应，实际应力大于仿真值，所以门盖会发生开裂。

 

3 冰箱门门盖结构改善以及CAE计算

 

    为了达到降成本开发的目标，在使用HIPS材料的前提下，通过改善门盖的结构，使其满足强度设计要求。塑料件的结构改善无外乎从增加壁厚和增加加强筋两方面入手。针对冰箱门上下门盖的改善，提出以下两种改善方案：

    方案一

     上门盖：顶面加厚0.5mm，外边缘改为R0.5的导圆角，纵向筋的一端延伸到端部。

     下门盖：顶面加厚0.5mm，外边缘改为R0.5的导圆角，增加纵向及横向的筋。

    方案二

     上门盖：在方案一的基础上纵向筋的另一端也延伸到底部，增加一条横向的筋。

     下门盖：在方案一的基础上将内部筋的高度增加到2mm。

http://s3/mw690/80a5ae31hd6d62ce85f12&690      http://s11/mw690/80a5ae31hd6d62d1eb4aa&690

图10 原始方案上门盖结构图                图11 原始方案下门盖结构图

http://s5/mw690/80a5ae31hd6d62e74d694&690

图12 方案一上门盖结构图                  图13 方案一下门盖结构图

http://s11/mw690/80a5ae31hd6d62fa68dca&690      http://s11/mw690/80a5ae31hd6d62fc8099a&690

图14 方案二上门盖结构图                  图15 方案二下门盖结构图

 

    利用HyperMesh软件分别对上述两种改善方案分别进行CAE分析，结果数据如表3所示。对比两种方案可以看出，方案二改善效果明显，门盖安全系数增加到2.0以上，已经高于使用ABS材料时的安全系数，门体整体变形也由3.3mm减小到2.3mm，上下门盖重量分别增加27.6g和17.5g，由于HIPS比ABS便宜，即使重量稍有增加也能达到降成本开发的目标。 

 

表3 改善方案计算结果数据

 

4 结论

 

    本文利用HyperWorks有限元分析软件，对冰箱门进行了CAE温度场分析，查找出门盖开裂的原因，并针对其薄弱部位进行加强改善，在满足强度要求的前提下，实现更具成本优势的材质替换目标。同时，还探讨了约束条件的设定对计算结果是否收敛的影响，得出在载荷工况对称的条件下无需施加约束也能计算收敛的结论。本文是HyperWorks软件应用在家电行业温度场分析的成功案例，借助CAE分析工具，实现品质提升和成本竞争力强化的研发目标。 

 

5 参考文献

 

[1]张峰.冰箱塑料堵盖开裂的原因分析及对策.塑料工业.2007年第6期

[2]申开智.塑料制品设计方法及应用实例.国防工业出版社.2006

 

Temperature Field Finite Element Analysis of the refrigerator door based on HyperWorks

 

Zhao Shouzhen   Sun Yunhui

 

Abstract: Create the finite element model of the refrigerator door with HyperWorks software, calculate out the stress and deformation of cover in temperature field analysis, find out the reason why the door crack with the calculation results. Improve and analysis the structure of the cover to achieve the target of more cost-competitive, with meeting the strength requirements.

Key words: the refrigerator door  stress  temperature cycle