冰箱助吸器疲劳寿命的仿真与实验研究.pdf

Articles论文64 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422冰箱助吸器疲劳寿命的仿真与实验研究Simulation and experimental research on fatigue life of refrigerator suction assisting device代少猛 韩丽丽 张升刚 DAI Shaomeng HAN Lili ZHANG Shenggang 海信冰箱有限公司 山东青岛 266000Hisense Refrigerator Co.,Ltd.Qingdao 266000摘 要：冰箱助吸器能够有效助力关门，解决关门过程中门体出现悬停或关不严而产生漏冷的问题。冰箱助吸器在多次重复性开关门过程中，不断承受交变载荷的作用，助吸器可能会发生疲劳断裂，影响冰箱正常开关门。因此需要分析冰箱助吸器的疲劳寿命，使其满足可靠性要求。首先建立了助吸器三维静态结构仿真模型，计算了助吸器在开关门过程中的应变分布和变化趋势。然后实验测试了助吸器在开关门过程中的应变变化。在10万次的开关门实验测试过程中，助吸器在关门和开门过程中的应变曲线呈现对称分布，应变呈现先增大后减小的趋势。根据实验测试的应变数据校准仿真的应变值，为疲劳寿命计算提供准确的疲劳载荷。最后进行助吸器疲劳寿命计算，找出了最易发生疲劳断裂的位置，从而指导助吸器的可靠性设计。关键词：冰箱；助吸器；应变；疲劳 Abstract:The refrigerator suction assisting device can eff ectively help people close the door,which solves the problem of cold leakage caused by the door hovering or not closing tightly during the door closing process.In the process of repeatedly opening and closing the door of the refrigerator,the suction assisting device is constantly subjected to alternating loads.The suction assisting device may be fatigued and fractured,which aff ects the normal opening and closing of the refrigerator door.Therefore,it is necessary to analyze the fatigue life of the refrigerator suction assisting device to make it meet the reliability requirements.Firstly,a three-dimensional static structure simulation model of the suction assisting device is established.The distribution and variation trend of the strain of the suction assisting device in the process of opening and closing the refrigerator door are calculated.Then,the variation trend of the strain of the suction assisting device during the refrigerator door opening and closing process is experimentally tested.During the 100000 refrigerator door opening and closing experimental test,the strain curve of the suction assisting device in the process of closing and opening the refrigerator door shows a symmetrical distribution,and the strain shows a trend of increasing fi rst and then decreasing.The simulated strain values are calibrated against experimentally strain values to provide accurate fatigue loads for fatigue life calculations.Finally,the fatigue life of the suction assisting device is calculated,and the locations most prone to fatigue fracture are found to guide the reliability design of the suction assisting device.Keywords:Refrigerator;Suction assisting device;Strain;Fatigue中图分类号：TM925.21;TP202+.1 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.03.0100 引言机械结构在使用中基本都会承受交变载荷的作用，据统计有80%以上的工程结构破坏与疲劳有关1。产品出现不应发生的疲劳失效会导致企业的品牌信誉受损，并产生较大经济损失。冰箱工作环境复杂，需要分析零件和整机的疲劳寿命。其中，冰箱助吸器能够有效助力关门，解决了关门过程中门出现悬停或关不严而产生漏冷的问作者简介：代少猛（1992），男，博士学位，高级工程师。研究方向：家电产品CAE、CFD仿真研究。E-mail：。通信作者：韩丽丽（1978），女，博士学位，高级工程师。E-mail：。基金项目：海信冰箱有限公司“冰箱运动疲劳仿真技术的研究项目”（BJSYYXM2021040001）。题，极大提升用户体验。助吸器材料为聚甲醛（POM）高分子材料，POM具有较大的硬度、较高的弹性模量以及较好的疲劳性能2。李艳红等人3研究了高分子材料的结构因素和环境因素对高分子材料疲劳性能的影响。武艳霞等人4采用连续损伤力学方法，考虑了高分子材料的循环软化特性，得到了高分子材料三轴应力场中的低周疲劳损伤模型。韩丽丽等人5采用多体动力学仿真方法对助吸器进行优化Articles论文 65家电科技 Vol.3 2023 Issue 422设计，解决了门体在关门过程中悬停的问题。冯广平等人6仿真分析了助吸器的应力分布，消除应力集中，为助吸器结构的修改提供了理论依据。洪在地等人7-8计算了助吸器应力分布，对助吸器结构进行优化，并计算了助吸器的疲劳寿命。助吸器疲劳寿命计算的关键因素之一是要得到助吸器在一个开关门周期内的应力应变值，即疲劳载荷。助吸器的应力应变计算的准确性将直接影响疲劳寿命仿真的准确度。本文针对冰箱助吸器首先进行静力学仿真，接着实验测试了助吸器在10万次开关门过程中的应变变化，校准了仿真计算的应变值，为助吸器的疲劳寿命计算提供准确的疲劳载荷。最后进行助吸器疲劳寿命计算，指导助吸器的可靠性设计。1 助吸器静力学仿真 a)助吸器打开状态 b)助吸器关闭状态1：助吸器；2：铰链头；3：螺钉；4：限位器图1 助吸器及其配件三维数值模拟结构模型图1为助吸器及其配件的三维数值模拟结构模型。其中：1为助吸器，2为铰链头，3为螺钉，4为限位器。以助吸器与铰链刚接触时为起始点，从图1 a)位置运动到图1 b)位置，关门角度为13，接着，助吸器进行开门过程，从图1 b)位置运动到图1 a)位置，开门角度为13。由经典力学理论可知，物体的动力学通用方程为：（1）式中，M是质量矩阵；C是阻尼矩阵；K是刚度矩阵；x是位移矢量；F(t)是力矢量；是速度矢量；是加速度矢量。因为助吸器在冰箱开关门过程中，旋转速度较慢，可以认为结构静定。忽略惯性和阻尼的影响，与时间t相关的量都将被忽略。式（1）可以简化为：（2）建立助吸器的三维静态结构仿真模型，材料参数如表1所示。根据助吸器实际的运动状态，对相关零件之间添加约束关系，如表2所示。POM与金属材料之间的摩擦系数很小9，本文取助吸器与铰链的摩擦系数为0.05。助吸器在关门过程中，旋转角度为13，反之亦然。把助吸器在开关门过程中等分为26子步，每一子步助吸器旋转1，每1 又划分35子步进行计算，数值模拟助吸器在开关门过程中的应变分布。图2 助吸器在开关门过程中数值模拟的总应变分布云图图3 助吸器a点和b点在开关门过程中数值模拟的总应变变化曲线图图2为助吸器在开关门过程中数值模拟的总应变分布云图，图中a和b指向助吸器测点位置，取a和b小区域范围的应变均值作为测点位置数值模拟的应变值。从图2可以看出，助吸器应变较大的区域在助吸器头部红色椭圆区域。从图3中可以看出，助吸器a点和b点在关门过程中，应变先增大再减小，同样，在开门过程中，应变也是先增大再减小。整个开关门过程中，b点应变基本都大于a点，b点应变变化曲线呈现对称分布。2 实验验证企业标准要求冰箱助吸器要满足开关门实验而不发生断裂，实表1 材料性能表序号名称材料泊松比弹性模量/GPa屈服强度/MPa拉伸极限强度/MPa1助吸器POM0.352.989-76.252铰链Steel0.32002504603限位器Steel0.32002504604螺钉Steel0.3200250460表2 助吸器及配件约束关系序号零件接触位置约束类型约束关系1助吸器与铰链图1 b)c点接触约束摩擦2助吸器与螺钉图1 b)e点接触约束绑定3限位器与螺钉图1 b)e点接触约束绑定4助吸器与限位器图1 b)d点连接副回转5助吸器与限位器图1 b)f点接触约束绑定Articles论文66 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422验测试助吸器在不同开关门次数下（初始状态、1万次、2万次、3万次、4万次、5万次和10万次）的应变值并与数值模拟的应变值进行对比分析。如图4所示为冰箱自动开关门及应变测试实验装置，主要包括接触吸盘、开关门力臂、冰箱门、静态应变测试分析系统和应变片（电阻值120.3，误差0.1；灵敏系数2.10，误差0.1）等。首先测试初始状态下助吸器测位置点（图2中a点和b点）的应变值及在开关门过程中的变化趋势。为了把图4 c)应变片固定在助吸器上，从冰箱上拆下门，取出助吸器，采用胶水把应变片有效测量部位贴在助吸器测位置点。再把贴好应变片的助吸器装在冰箱门上。把应变片连接在图4 b)静态应变测试分析系统，采用带补偿的1/4桥实时采集应变片的应变值，采样频率为5 Hz。把门完全打开，先进行关门过程，以助吸器与铰链刚接触时为起始点，把此时测得的助吸器应变值进行清零和平衡操作（每次测量前要执行一次清零和平衡），即为初始应变值。再手动缓慢进行关门和开门动作，并在标定角度停留约20 s（便于提取特定角度应变值，并与数值模拟的应变值进行对比），测试助吸器在开关门过程中的应变值。重复测试3次开关门过程，数据处理中再把3次测量的应变值取平均值，减小随机误差。至此，助吸器初始状态的测点位置应变测试完成。接下来把自动开关门设备的接触吸盘固定在冰箱门上，再通过开关门力臂带动门旋转运动，执行冰箱门开关动作。实验中设定开关门频率为0.1 Hz，先进行1万次开关门实验。待实验结束后，测试助吸器在1万次开关门循环后的应变值。同测试初始状态下助吸器测点位置应变值的方法相同