基于ANSYS的冰箱（柜）门体温度场及热应力分析

得过且过

1 前言
门体是冰箱（柜）外观的一个重要部件，它直接影响了冰箱（柜）的质量。据销售市场反映，在冬季冰箱（柜）有门堵头裂纹的情况出现，特别是东北地区出现的比例较高。经分析发现，主要是由于环温较低，而造成箱内外较大温差，使门体中产生不均匀的温度分布；且由于门体是由多种零部件组成，而各种零部件材料的不同使其随温度变形收缩也不一致，从而使门体内部产生了温度应力，当应力值过大时就会导致门堵头裂纹。门堵头裂纹虽然不影响冰箱（柜）整机的使用，但是它严重影响了冰箱（柜）的外观和销售。有限元法是一种以弹性力学变分原理剖分插值为基础的数值计算方法，通过建立门体的有限元数学模型，对门体的裂纹进行数值模拟分析。




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2 门体结构及堵头处产生的裂纹
冰箱（柜）门体不仅起着密封的作用，也是影响冰箱（柜）外观的一个重要部件。本文以某型号冷柜的门体为分析对象，如图1所示。



基于ANSYS的冰箱（柜）门体温度场及热应力分析1.jpg冰箱（柜）门体主要由门外壳、门堵头、门内壳和聚氨酯发泡料组成，门外壳的材料是0.5mm厚的钢板，门堵头的材料是2mm厚的ABS，门内壳的材料是1mm厚的ABS，聚氨酯发泡料是由组合聚醚与异氰酸酯组成，各种材料的性能参数如表1所示[4-5]。由图1可以看出，出现裂纹的位置是门堵头的角部，即门堵头与门外壳插接的位置，门外壳与门堵头的连接方式如图2所示，由于门外壳与门堵头是紧密贴在一起，中间无间隙，在冬季环温逐渐降低到-20℃时，门堵头与门外壳随着温度的降低也发生了不同程度的收缩变形，由于门堵头与门外壳材料的不同，随温度产生收缩变形也是不同的，变形的不一致，使门体内部产生了热应力，热应力的存在导致了门堵头裂纹的产生。
3 门体温度场及其温度应力的有限元计算
3.1温度场及温度应力计算的有限元模型本文所述的某冷柜门体的结构及各部分的具体尺寸如图3所示。实体表明裂纹仅发生在门堵头的角部，为提高分析计算的效率，根据门体基本对称的特点，选择对应位置处的四分之一门体为计算对象，对称面按绝热边界条件处理。对应的有限元几何模型如图4所示，裂纹处细部结构的有限元几何模型如图5所示，本文选用自由网格划分，采用ANSYS中的solid187单元，划分后的单元模型图如图6所示[6]。


基于ANSYS的冰箱（柜）门体温度场及热应力分析2.jpg在冬季较冷地区，当冰箱（柜）由室内转至室外时，箱体内的温度较高，而环境温度较低，在这个过程中，门体内的温度分布发生变化。本文设定从20℃到-20℃的变化状态进行计算。门体仅部分表面（冰箱（柜）外表面）与环境间存在热交换。
3.2门体温度场有限元的计算结果
根据上述门体的三维有限元模型，经过ANSYS求解器的运算，本文计算了20分钟内的温度分布规律。为了清楚反映门体随着温度变化的细节，将温度变化温度场云图按时间分段输出，图7、图8分别为第10分钟、第20分钟的温度场分布云图。


基于ANSYS的冰箱（柜）门体温度场及热应力分析3.jpg3.3门体温度应力计算结果
根据门体的温度场的计算结果，本文选择温度梯度最大的状态进行了相应的温度应力计算，其应力分布状态如图9、图10所示。从图9中可以看出，最大应力值为126MPa，位于门外壳的角部处，由于门外壳采用钢板制造，其许用应力为235MPa，远大于工作应力值。图10是门堵头最大应力附近的应力分布，其最大应力值为34MPa，未超过相应材料的许用应力值。
4 门体结构的改进
4.1门体结构的改进方案
如上分析，在温度较低时，门体的变形主要是门堵头产生裂纹，其部位是门堵头与门外壳插接处的角部。门堵头材料是ABS，门外壳是钢板，两者由于收缩率不一致，致使在收缩变形时产生了内应力，内应力过大易导致门堵头出现裂纹。针对上述原因，本文提出以下改进方案：


基于ANSYS的冰箱（柜）门体温度场及热应力分析4.jpg门堵头与门外壳插接处的角部间隙放大如图11，同时将门外壳上与门堵头插接处的角留出缺口，如图12。
4.2改进门体结构的有限元分析
根据改进方案重新对门体建模分析，相应的几何模型及其细部结构如图13、图14所示。
划分单元后的有限元模型如图15所示。


基于ANSYS的冰箱（柜）门体温度场及热应力分析5.jpg对改进后的门体结构在同样条件下进行温度场分析，并根据温度场的计算结果，进行了相应的温度应力计算，堵头裂纹处的应力分布状态如图16、图17所示。


基于ANSYS的冰箱（柜）门体温度场及热应力分析6.jpg4.3计算结果分析
计算结果表明，虽然改进前的结构，堵头裂纹处的应力并未超过材料的极限应力，但该温度应力只是门体所承受应力的一部分。门体在发泡成型过程中已存在内应力，但同时也存在时效效应。另外，门堵头本身的成型制造过程也会产生一定的应力。所有这些因素的影响很难 在分析计算都加以考虑。因此，本文采用在同等条件下进行对比的方法进行分析，分别计算了结构改进前后门堵头裂纹附近的应力变化，虽然堵头最大应力下降不多，但最大应力的位置已不在裂纹产生的圆角处，而本文所要解决问题的关键部位堵头裂纹处的应力值则有了明显的下降。
5 结论
本文以发泡门体为分析对象，建立了门体温度场计算的有限元模型，进行了温度场的分析计算及相应的应力计算。同时，进一步提出了门体结构的改进方案，并通过有限元计算结果验证了该方案的可行性和有效性。有限元法可以在设计之中验证产品的可行性，避免很多不必要问题的产生。

紫罗兰

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