新材料家电革命：HyperWorks助力成本效益与安全双赢

行业：电子消费品

挑战：冰箱门盖的开裂

Altair 解决方案：仿真引领设计

优点：利用更低成本的材料改进强度 ；评估不同的替代材料，无需昂贵的试验

背景介绍

韩中合资的苏州三星电子公司开发和生产主流的家电产品，包括冰箱和洗衣机等。公司不断寻求新的途径来提升竞争力，通过在不牺牲产品性能的同时减少材料的使用。  

挑战

“家电产品是竞争非常激烈的市场，”三星电子CAE工程师赵守振说，“所以家电设备制造商在创建新的设计时特别强调技术创新和成本效益。而简化产品结构和控制生产工艺是成本控制的重要因素，原材料的选择在降低成本方面起着重要 作用。”

因此，苏州三星考虑改变某些型号的冰箱门盖设计。冰箱门由上门盖、下门盖、钢板、内胆以及发泡料组成。ABS工程塑料通常是通过注塑成型而制成，用在上门 盖和下门盖上，被安装在门端，固定门的位置。

为了控制成本，公司试图用高冲击聚苯乙烯，或HIPS来替代门盖的ABS材 料进行注塑成型。不幸的是，在物理试验中，HIPS制成的门盖在温度循环试验中发生了开裂。

“HyperWorks提升了我们产品的质量，同时获得竞争的价格优势，也增强了我们的研发能 力并达到产品研发的目标。”  赵守振 CAE工程师 苏州三星电子公司                                                                                                              

解决方案

在这些测试中，门放置于变温室内，温度起初先降低到令人不寒而栗的水平，然后提升到高温状态，最后再降到冰点。在这个温度循环过程中，由HIPS材料制成的冰箱上下门盖的顶部表面发生了开裂，裂纹开始于门盖前边缘的中间位置。

苏州三星的工程师开始对材料、结构和注塑成型流程进行分析，找出开裂的原因。他们知道相比ABS，HIPS的强度和韧性要差一些，并且热膨胀系数要大，在温度急剧变化的情况下变形较大。显而易见，材料的改变是导致开裂的主要因素。其次，出于美观的角度，门盖的边缘采用了平面倒斜角的形式，导致了外边缘强度的降低。在注塑成型的过程中，上门盖采用三点进胶，中间部位存在浇口，下门盖采用两点式进胶，中间部位存在熔接线，在浇口和熔接线附近会产生残余 应力，这种残余应力的存在会加剧门盖在中间部位开裂的风险。找到这些因素之后，工程师们试图验证他们的物理分析，找出HIPS门盖设计的改进方法，从而消除开裂现象。  

仿真分析指出，在工况1中，门盖的应力和变形较大，即门盖开裂是由低温时的收缩引起的，这与实验结果是一致的，最大应力发生在上下门盖的前边缘的中间部位，与实际断裂部位也是吻合的。材料由ABS改为HIPS后，安全系数由2.0 降低到1.3，由于HIPS更低的应力限制，最大变形也由2.8mm增加到3.3mm。再加上温度循环累计的效应，所以门盖会发生开裂。工程师接下去开始评估防止开裂的方法，从增加门盖顶部表面的厚度和增加纵向和横向加强筋开始。

“我们提出了两种改进方案，然后利用HyperWorks分别进行CAE分析，”赵工说，“经过分析，延长加强筋的长度和高度的方案将门盖的安全系数增加到2.0，和ABS材料的安全系数一样。”门体整体变形也由3.3mm减小到2.3mm（超 过ABS），尽管上下门盖重量分别增加27.6g和17.5g，HIPS的成本还是少于ABS；所以即使重量稍有增加，HIPS还是降低了整体的材料成本。                        

结论

利用HyperWorksCAE工具进行有限元分析，苏州三星快速验证了门盖开裂的原因。通过仿真分析，工程师能够改进 门盖的结构强度，将ABS更换为HIPS材料，实现更低的成本效益的目标。  

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