摘要：随着人们生活水平的提高，对生活质量不断提高。冰箱门体变形问题一直是各个冰箱生产厂家研究的热点，但冰箱门体结构多样且复杂，在材料选择及生产制造成本的约束下，冰箱门体变形问题一直未能有效解决。现针对冰箱门体及其关键零部件，提出基于多场强度分析模型的结构优化设计方法。首先基于冰箱门体实验及仿真数据，提出门体强度优化基本策略，其次分析关键零部件——门饰条结构特性，基于冰箱门饰条等截面结构特性构建框架刚度模型，同时分析门饰条截面的最大弯曲截面系数，构建其截面系数分析模型，基于该模型分析门饰条截面的最佳尺寸分布，达到优化门饰条结构，增强门饰条抗变形能力的目的。最后通过某型号的门体模型及仿真分析，验证本文所提出分析模型及优化设计方法的可行性及有效性。
关键词：门饰条截面；弯曲系数；截面惯性矩；仿真软件
引言
随着经济的高速发展，人民物质生活水平的迅速提高，冰箱已进入千家万户，成为人们现实生活中必不可少的日常必需品。然而，冰箱作为家用电器重点的耗电大户，其耗电量已接近我国城乡居民家庭全部用电量的一半以上，成为城乡居民家庭的主要耗电源，因此研究冰箱节能技术顺应了时代发展的要求，研究意义十分重大。将纳米复合储能材料应用于冰箱上，正是在推广家用电器使用的同时紧跟节能、环保这一主题，努力让消费者在使用到高档次冰箱的同时，降低能源的损耗。文中所研究的纳米复合储能材料的制备方法已获得国家发明专利（《有机/层状、层链状粘土矿物纳米复合贮能材料及其制备方法》专利号：ZL03132228X），其在冰箱上的应用在国内还是空白，本文将对该材料在冰箱上应用的可行性进行研究与分析，旨在响应我国实施的节能减排发展战略的基础上，在冰箱行业中推广该技术的研究并使其逐步成熟。
1冰箱门体结构及形变分析
冰箱门体是冰箱的一个重要组成部分，结构主要为外沿框架结构和发泡内胆，在基本构型设计及成本约束下，门体强度不高，受工作负载（力场与温度场的复合场）作用各个部件均会发生形变。不仅会降低冰箱整体外观质量及结合强度，而且会造成冰箱门体封闭不严和冰箱保温性能下降，并进一步导致冰箱整体能耗上升。能耗是冰箱产品的重要指标，需要有效解决冰箱门体变形问题，保证冰箱良好的能效水平。
1.1冰箱门体结构
冰箱门体结构主要包括内胆、发泡层、门饰条、玻璃面板等。冰箱门体截面如图1所示。
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图一
1.2冰箱门体形变
结构变形应力场主要分为内应力和外应力，由此来说明冰箱门体变形主要因素：
（1）内应力，源于发泡层的不均匀分布。发泡工艺过程是一个发泡原料流动及膨胀的过程，会存在一定程度的发泡层厚度不均匀状况，在多场作用下，由于厚度不均匀的发泡层热胀冷缩的程度不同，易产生变形。
（2）外应力，源于力场及温度场下应力载荷。冰箱正常工作状态下门体内外温度差约为50℃～60℃，在这种大温差下，冰箱门体均会存在不均匀应力场，进而使门体产生热变形，如图2所示。
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图二
2冰箱门体框架结构优化方法
2.1纳米复合储能材料在冰箱上应用的可行性
冰箱作为能耗较多的家用电器之一，其能耗取决于冰箱的热负荷。现有冰箱产品的冷量损耗主要来自箱体散失的冷量、开门散失的冷量、除霜以及冰箱内部空间温度分布不均匀带来的较大的温差波动，都增大了冰箱的热负荷，造成冰箱压缩机的开停频繁，而传统的冰箱制冷压缩机为定频压缩机，在启动时具有很大的启动电流，是额定电流的4~6倍，且噪声大，效率低。
在冰箱上采用变频技术虽然可以达到节能的目的，但对于冰箱这种小功率家用电器来说，使用变频压缩机导致成本的大幅度增加，使得变频技术的应用具有很大的局限性。随着蓄冷技术在冷藏冷冻领域的广泛应用，结合冰箱产品各个间室的不同温度要求，制备出相变温度满足冰箱间室使用温度的纳米复合储能材料，利用材料自身的相变性能，在冰箱制冷系统运行的过程中吸收过多的冷量，在冰箱压缩机停机或者热负荷增加时将吸收的冷量进行释放，可以在不影响冰箱内部温度的情况下有效的降低压缩机的开停频率，达到节能的目的。所提出的相变材料节能技术方案是将相变材料制备成蓄冷板，将一两只蓄冷板随意摆放在冰箱内部，节能效果很低。本文所做的研究是将纳米复合储能材料与冰箱内胆材料进行复合，并找出最佳的复合工艺条件，使得冰箱内胆材料获得储能性能，在有效降低能耗的同时，其原有的机械、传热等性能未受影响。
2.2发泡层密度对水箱保温性能的影响
保温性能测试，结果如图3所示。从图中可以看出，在30～50Kg/m3的密度范围内，水箱的温降值先减小后增加，也就是说，水箱的保温性能先提高后降低。从图4可知，在聚氨酯泡沫密度较小的密度区域内，泡孔较大，气相导热占据着主导（即：主要是由气相导热引起的）。随着泡沫密度的增加，泡孔减小泡孔壁变薄，气相导热和辐射传热减小，而此时固相导热的增加还不足以弥补气相导热和辐射导热的减小，使得泡沫整体导热减小；随着泡沫密度的进一步增加，泡沫基体引发固相导热系数增大，且增加的速率超过了气相导热和辐射导热的减小速率，最终使得泡沫整体导热增加。导热系数大小与发泡料密度有直接关系，且泡沫总的导热系数在38～45Kg/m3之间达到最低值，此时水箱的保温性能最好。为了进一步检验我们的研究效果，并将相关成果更加直观地表达出来，按照相同的工艺参数及研究得出的保温性能最佳时的工艺参数值，采用相同工艺制备了2台水箱试制机，并对其进行保温性能测试，水箱的保温性能明显提高，放置24h后热水的温度温降值降低0.5℃。
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图四
2.3经济及社会效益分析
目前我国的冰箱保有量已达1.3亿台，冰箱用电量已占居民全部用电量的50%。今后15年内生产的冰箱将在其预期寿命内消耗6010亿度电，相当于400多亿元的投资，同时排放大量的二氧化碳等温室气体，使全球的温室效应加剧。
本课题的研究与实施成果经过估算可以使每台冰箱节省20％的用电量，这样全国每年将可以省下90多亿度电，节省的电量相当于葛洲坝水电站年发电量的一半以上，至少为国家节约100亿元的投资，这对改善我国大气环境质量具有积极意义，全球环境也将由于能够减排1亿吨二氧化碳而受益。
此外，本课题研究的方向为新型材料与冰箱的结合应用与产业化，即对冰箱行业带来了一场技术革新的革命，又加大了社会对新型材料发展的重视程度，势必会引起新型材料与更多行业的广泛合作，一举两得，社会效益和经济效益达到双丰收。
结语
本文采用材料力学的知识来解决冰箱门体关键零部件——门饰条变形的问题。基于门饰条等截面结构特性，构建了框架刚度模型，通过求门饰条截面的最大弯曲截面系数确定门饰条截面的最佳尺寸分布，以优化门饰条结构，达到增强门饰条抗变形能力、减少成本的目的。结构仿真软件对优化后模型的验证结果表明该方法可行，结构抗变形能力有所增强。由于该方法是对现有结构的部分尺寸予以调整，截面面积的改变不大，因此，耗费的成本不高，但目前只针对门饰条结构，整个冰箱门体的优化还要在此方法的基础上再加以改进、完善。
参考文献
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