聚氨酯硬泡冷卻變形性能對冰箱門體熱變形影響研究

鄭方圓 韓麗麗 張月 張升剛 孫啟東

海信冰箱有限公司 山東青島 266071

0 引言

冰箱門體是由門板、上下端蓋、左右邊框以及門膽裝配而成的腔體經過填充聚氨酯硬泡后組成的冰箱部件（如圖1所示）。門體有效地將冰箱間室與外界隔離，以保持冰箱內外較大的溫差，是冰箱的關鍵部件之一。在發泡冷卻過程中，冰箱門體通常會經歷較大的溫度變化（80℃～10℃），導致門體部件產生熱變形。同時，由于各部件隨溫度降低收縮變形不同，相互作用產生內應力，進一步影響門體變形程度。過大的變形可能會導致門體彎曲，從而影響冰箱的外觀，還會影響門體的密封效果，進而出現漏冷、凝露等質量問題。

圖1 門體結構示意圖

研究人員為抑制門體變形做了大量的研究，陳慶濤[1]借助熱應力仿真的方法在發泡工況和高低溫工況下對玻璃門體進行變形計算，并通過實驗驗證了熱應力仿真計算的準確性；張艷玲[2]運用ANSYS有限元分析軟件預測門體冷卻變形，并根據分析結果提出了合理的結構改進方案；魏邦福[3]基于門飾條等截面結構特性，確定門飾條截面的最佳尺寸分布，優化了門飾條結構，增強門體關鍵部件抗變形能力；洪在地[4]利用有限元軟件MSC.MARC研究門體變形的機理，提出了改善門板結構減小門體變形的方法并實驗證明該方法的有效性；郭剛[5]基于熱力耦合的有限元方法，利用ABAQUS軟件對門體變形機理進行研究，并通過內膽結構優化抑制門體變形；李強[6]基于有限元仿真的方法研究了門體長度和門把手裝配方式對門變形的影響，同時提出了一種低成本解決方案；程偉[7]使用正交實驗分析和有限元仿真結合的方法計算加強件的長度、寬度和厚度，通過預埋加強件的方法抑制了門體變形。孫啟東[8]通過CAE仿真分析與實驗結合的方式，驗證了有限元分析的可靠性，并提出了解決門體變形的有效方案。

綜上所述，當前研究人員主要通過優化門板、門膽及邊框結構和預埋加強件的方法來減小門體的變形，雖然可以在一定程度上抑制冰箱門體的變形，但制造難度及制造成本也隨之增加。與之相比，部件材質的冷卻變形性能作為影響門體變形的關鍵因素，可通過調整配方、改進加工工藝等方法進行調控，這種方法具有成本低、易實現的特點。因此，本文借助有限元仿真分析方法，對冰箱發泡冷卻工況下的門體變形進行仿真模擬，探究了部件不同變形性能對門體熱變形的影響，為減少門體變形、降低生產成本提供了可借鑒的研究結果。

1 冰箱門體熱變形理論分析

為了簡化分析，本文將冰箱門體視為由泡層與其他門體部件組成的單向復合板，泡層和其他部件均視作各向同性材料。當冰箱門體在發泡冷卻過程中，溫度均勻降低，變化前后溫差為ΔT。此時，門體因溫度降低而收縮變形，圖2為門體變形示意圖。

圖2 門體變形示意圖

根據熱膨脹公式，門體各部件和泡層的變形量為[7]：

式中：

αB-門體部件熱膨脹系數；

αP-泡層熱膨脹系數；

ΔLB-門體其他部件沿伸縮方向發生的變形；

ΔLP-門體泡層沿伸縮方向的變形；

σB-門體其他部件應力；

σP-門體泡層應力；

EB-門體其他部件彈性模量；

EP-門體泡層彈性模量；

αE-門體等效熱膨脹系數；

L-部件長度。

根據公式（1）（2），可得門體泡層及其他部件的應變為：

式中εB、εP分別為門體部件和泡層的應變。由上式可知，門體各部件及泡層在發泡冷卻和高低溫測試過程中的熱變形主要包括兩部分：一是由于各部件和泡層熱變形產生的熱應變；二是由于各部件和泡層熱膨脹系數不同產生應力導致的力應變。由于整個門體在發泡冷卻過程中靜力平衡，可得：

σBAB=σPAP（6）

式中，AB為冰箱各部件橫截面面積，AP為泡層橫截面面積。在發泡冷卻過程中，門體各部件和泡層粘結在一起，故有：

聯立公式（3～8），可得：

將公式（9）代入公式（3）中，可得冰箱門體在發泡冷卻過程中的變形量：

由上式可知，門體的變形量主要與門體各部件和泡層的熱膨脹系數、彈性模量、溫度變化量及門體尺寸有關。與門體其他部件材料相比，泡層的彈性模量最低、熱膨脹系數最大，成為制約門體變形的關鍵因素。冰箱實際生產過程中，發泡后冷卻溫差是恒定的，在不改變冰箱門體結構的前提下，可通過改變泡層熱膨脹系數及彈性模量的方法來抑制門體的變形。

2 冰箱門體有限元模型建立

本文選擇某款對開門冰箱的冷藏門進行研究，冰箱門體尺寸為高×寬×厚=1730×514.5×53（mm），該冷藏門主要由上下端蓋、門內膽、門板、門把手和泡層組成。門板為Q235鋼板，厚度為0.5 mm；端蓋和把手是由ABS注塑而成，厚度為2.5 mm；門內膽是由HIPS吸塑而成，厚度為1 mm。門體各部件材料屬性如表1所示。

表1 門體各材料屬性

在仿真計算時為節省計算資源，提高計算速度，需要降低模型的網格數量。因此本文對門體模型進行了必要的簡化：將門體各部件及泡層較小的倒角刪除，去掉了門體上的裝飾結構。由于門板、內膽尺寸較大且厚度較小，故采用殼單元；邊框、端蓋、把手及泡層采用體單元。為提高網格質量和計算精度，本文依據門體各部件結構尺寸大小，劃分了不同尺寸的網格。

聚氨酯硬泡材料的彈性模量和熱膨脹系數可通過調整黑白料配比、采用不同工藝方法、改變泡料灌注量等方法調控，為驗證聚氨酯硬泡冷卻變形性能對門體變形的影響，本文采用某供應商提供的5種聚氨酯硬泡材料設計了5種方案，各方案的冷卻變形性能參數如表2所示，針對各方案進行門體變形仿真計算，并對比計算結果。

表2 軟化水提高水效的樣機對比測試數據

表2 泡層冷卻變形性能方案

3 結果與分析

冰箱鋼板門完全冷卻過程中，整體溫度從80℃降低至10℃。首先對原始方案的門體進行發泡冷卻仿真計算。圖3 a) 為原始方案門體變形情況，門體整體變形呈弓狀，門體朝冰箱門板一側拱起，最大變形為8.26 mm，出現在門體中央位置；門體兩端蓋變形較小。圖3 b)為冰箱門邊框變形情況，把手側邊框變形量為4.99 mm，另一側為4.02 mm，兩側邊框變形都位于把手下端靠近門板中間位置。從圖3可以看出，在發泡冷卻過程中門體有較大的變形，變形位置主要集中在門體、邊框和把手的中央位置。其中，邊框和把手的變形嚴重影響著冰箱的性能，因此在門體變形仿真中應著重關注邊框靠近箱體一側的變形情況。

圖3 原始方案門體發泡過程變形情況

圖4～圖8為方案1～5的變形情況。表3為方案1～5的變形量。

表3 廢水閥自清潔提高水效的樣機對比測試數據

圖8 方案5門體發泡過程變形情況

表3 方案1～5變形量

圖4 方案1門體發泡過程變形情況

為直觀地對比各方案門體變形情況，現將各方案變形繪于一個柱狀圖中，如圖9所示?？梢钥闯?，在門體其他部件尺寸結構不變的情況下，門體變形量受聚氨酯硬泡彈性模量大小影響，在一定數值范圍內，門體變形隨其彈性模量的增大而增大，把手側的變形相比于另一側受聚氨酯彈性模量大小影響更加明顯；同時，門體變形量還受聚氨酯熱膨脹系數大小影響，在一定數值范圍內，門體變形隨其熱膨脹系數的減小而減小，把手側的變形相比于另一側受聚氨酯熱膨脹系數大小影響更加明顯。從變形情況來看，方案5的熱膨脹系數和彈性模量最小，所以改善效果最好。

圖5 方案2門體發泡過程變形情況

圖6 方案3門體發泡過程變形情況

圖7 方案4門體發泡過程變形情況

圖9 各方案門體發泡冷卻變形情況

本文針對方案5進行門體發泡變形實驗用以驗證仿真結果準確性，實驗數據如表4所示。由表可知，仿真值雖略高于實驗值，但數據誤差在14%左右，仿真結果具有一定的準確性。在實際聚氨酯硬泡配料過程中，彈性模量大小相比于熱膨脹系數更容易控制，但彈性模量減小會降低泡層的支撐強度，所以冰箱實際生產過程中，在滿足門體泡層支撐強度的前提下，可以優先考慮減小彈性模量以減小門體變形。

表4 門體發泡冷卻實驗數據

4 結論

為研究聚氨酯硬泡冷卻變形性能對冰箱門體變形的影響，本文提出了五種不同聚氨酯硬泡冷卻變形性能方案，借助CAE仿真的方法模擬了冰箱門體的發泡冷卻過程，設計實驗驗證仿真結果的準確性并對比了不同方案中門體的變形量。

研究結果表明，冰箱在門體發泡冷卻后會產生彎曲變形，彎曲變形量主要受門體各部件及聚氨酯硬泡彈性模量及熱膨脹系數的影響。其中，門體變形的大小隨聚氨酯硬泡彈性模量的增大而增大，隨熱膨脹系數的減小而減小。因此，在不影響聚氨酯性能的前提下，應盡量選擇較小彈性模量及熱膨脹系數的聚氨酯硬泡來減小冰箱門體的熱變形。