基于有限元仿真的不同材质薄壁冰箱门体热变形研究

杨诗华 程春明 王 瑶 鲍 敏

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

作为冰箱的“门面”，门体一直是冰箱重要的组成部分。门体外观，色彩，造型的好坏，已经成为用户购买的主要因素。因此，生产制造企业非常重视门体的设计和生产。门体构件多，相关配合尺寸链也多，再加上使用发泡工艺制作，制造过程中质量控制难度也大。

现有高档冰箱，由于玻璃质感强，厚实，一般都采用玻璃作为门体面板。但是，玻璃价格高，也是高污染、高耗能材料。随着彩板表面镀膜技术不断提高，彩板外表面也可以做到玻璃类似的效果，使用彩板替代玻璃作为门体面板，成为一种可能。

如今为了减少生产和使用过程中产生的热变形，冰箱门体强度，厚度一般都比较大，使用的材料也比较多。但随着全球气候不断恶化，碳中和成为各国共识，减少碳排放，加快碳中和等相关政策措施的实施，节约资源、能源，成为源头减排的重要措施。如何实现对门体减薄，减少节约材料，轻量化设计，成为企业需要解决的问题。

综上因素，本课题主要通过有限元方法，对门体面板不同材质、不同厚度进行仿真分析，研究门体在发泡过程中、发泡过程后的变形情况，然后通过制作样件进行相关试验，分析对比验证，探讨门体面板材质替代、门体减薄的可行性，从而实现降低成本，节能减排，助力实现资源节约型社会。

1 门体相关参数

本文所述的门体变形，一般指门体生产制造过程中、使用过程中内外温差不同而产生的形变，一般表现为门体三个维度尺寸偏差。如果形变过大，首先会影响门体外观质量，而且会影响与箱体配合的紧密程度，严重地，会影响制冷效果，出现局部凝露、能耗增加等现象，从而影响整机性能。本文研究的门体，所述玻璃面板门体（以下简称玻璃门），主要包括门体四周装饰件和玻璃构成腔室，在其内部填充发泡材料；所述彩板面板门体（以下简称彩板门），主要由彩板（以下简称门壳）和上下装饰件构成腔室，在其内部填充发泡材料。

所述材料相关参数如表1[1]所示。

表1 不同材料相关参数

本文所述门体厚度，指的是与箱体深度方向一致的尺寸。研究的所述厚门，采用现有冰箱门体主流厚度，尺寸为80 mm；研究的所述薄门，尺寸为40 mm。

2 仿真分析及验证

本文主要以M公司某个产品门体为原型，按照不同面板材质、不同厚度分别建立仿真模型，并对相关部件进行简化，降低网格数量，减少运算时间，同时对核心部件提高网格质量，满足精度要求。根据模型，分别对门体进行温度场、热-应力等模拟仿真，对比分析相关数据，最后通过制作样件，进行相关试验，进一步验证。

2.1 不同门体温度场仿真分析

门体在发泡过程中，发泡液中组合聚醚、异氰酸酯按一定比例混合后产生化学反应，短时间内产生大量热量，门体整体急剧受热，但门体构成的材料种类不同，导热系数和比热各不相同（见表2），从而导致散热效果差异，产生各种变形。

表2 不同材料相关参数

将门体中心温度设置为60 ℃，为起始温度；外部环境温度，按照设置为0 ℃，为最终温度，按照两种不同的门体面板（玻璃、彩板）材料进行仿真，具体如下：

在发泡之后5 s，彩板门体的温度场[2]梯度分布比玻璃门体均匀，散热效果较好，10 s钟之后，继续延续原有趋势进行，梯度波动较小（图1）。

图1 彩板门体温度场仿真云图

而玻璃门体在5 s时，波动较小，但10 s之后，波动明显比彩板大（图2）。

图2 玻璃门体温度场仿真云图

发泡后，门体外侧（门体面板侧）泡层较内侧固化快，加之内侧门胆的强度明显弱于外侧玻璃或者钢板，故冷却过程中内侧收缩较大，导致门体变形普遍“鼓肚子”（外弓）；由于彩板的导热系数是玻璃的41倍，是ABS的300多倍，而且比热也较低，故在低环温冷却时彩板门外侧散热更快，会一定程度上抵消门体外弓的变形趋势。

2.2 不同门体热-应力仿真分析

门体在注入发泡料后，会产生化学反应，会释放大量热量，门体整体温度急剧升高，而且发泡料在拉丝固化过程中，与门体面板、端盖、门内衬等紧密粘合在一起，随着温度逐渐下降，固化后的发泡料会逐渐收缩，从而带动与之粘合的相关部件一起收缩、扭曲、变形。为了提高生产效率，门体发泡后在夹具内固化一段时间，会取出来进行下道生产工序，当外界环境温度较低时，内外温差会导致收缩、变形进一步加剧。而且随着快速发泡工艺[3]的普及应用，固化时间更短，产品发生变形收缩的风险更大。

本仿真模型设置如下：门体注射发泡料后，经过一段时间固化，温度逐渐降低，取出发泡夹具时温度，设置成50 ℃，为起始温度；外部环境温度，按照最恶劣的冬季温度，设置成5 ℃，为最终温度。

本仿真主要模拟门体在此温度区间，散热过程中应力变化情况[4]，并分别对不同厚度、不同材质面板门体进行仿真。具体如下：

2.2.1 玻璃材质门体热-应力分析

在门体面板材质同为玻璃的条件下，按照厚门80、薄门40两种厚度分别进行仿真。将门体上、下端盖进行固定约束，设置边界温度，进行仿真分析，得出门体及把手侧（左侧）应力变形（单位: m）分布云图，具体结果如图3所示。

图3 不同厚度玻璃门体应力变形云图

从仿真数据（表3）来看，门体厚度减薄近一半后，门体整体强度急剧降低，薄门（40）变形量是厚门（80）3.1倍，而门体把手侧变形幅度更大，达到4.3倍。

表3 玻璃门体应力变形仿真数据对比分析

2.2.2 彩板材质门体热-应力分析

在门体面板材质同为彩板的条件下，也是按照厚度80、薄门40两种厚度分别进行仿真。将门体上、下端盖进行固定约束，设置边界温度，进行仿真分析，得出门体应力变形（单位:m）分布云图，具体结果如图4所示。

图4 不同厚度彩板门体应力变形云图

从仿真数据（表4）来看，门体厚度减薄近一半后，门体整体强度有所降低，薄门（40）变形量是厚门（80）2.1倍。

表4 彩板门体应力变形仿真数据对比分析

经过表3、表4进一步分析，彩板门体厚度减薄后，虽然门体变形量也大幅增加，但是和玻璃门体减薄后的变形对比来看，变动幅度只有玻璃门体的32 %，明显较低。

3 门体试验验证

为了验证两种不同材质门体温度场仿真分析结果，门体发泡出来后，即刻在大平台上进行测量，用塞尺测量门体四个拐角与门体大面偏移量，通过偏移量的大小来确定门体翘曲变形情况，相关测量数据如表5。

表5 不同材质面板门体变形实测值（单位：mm）

通过表5测量的数据结果，可以得出彩板门体变形量明显比同样厚度玻璃门变形要小，符合仿真分析结果。

为了验证门体热-应力仿真结果，分别将两种材质（玻璃和彩板）门体发泡后，放入内部储藏温度为5 ℃的冷藏箱内存放24 h，然后将门体拿出，依次测量多组门体两侧弓形形变和上下饰条收缩变形，取相关均值后，相关数据如表6。

表6 不同材质面板门体低温储存变形数据

通过表6测量数据，可以得出，同样门体厚度情况下，彩板门比玻璃门变形小，同样减薄比例下，彩板门体变形量明显比玻璃门变形要小，符合仿真分析结果。

4 总结

本文以冰箱门体作为研究载体，通过建立有限元仿真模型，对不同材质门体进行温度场仿真，得出彩板门体温度场分布均匀，梯度散热效果比玻璃门体要好；通过对不同材质和厚度的门体进行热-应力分析仿真，得出同样减薄厚度后，彩板门体应力变形量明显比玻璃门小。并通过制作门体进行相关试验验证，实测变形量与仿真结果进行拟合，验证了仿真结果准确性、可行性。

因彩板门体整体性较好，对结构强度有利，而且彩板面板导热系数、比热等均比玻璃面板要好，有利于散热，所以彩板门体在热变形方面比玻璃门体优势明显。