电暖器包装跌落及结构优化仿真分析.pdf

智能包装2 0 2 3年第6 期总第32 6 期上海包装D0I:10.19446/ki.1005-9423.2023.06.012.电暖器包装跌落及结构优化仿真分析郭静珠海格力电器股份有限公司，广东珠海5190 7 0摘要：对电暖器包装件进行跌落试验及破损部位进行受力分析，旨在优化电暖器易损部位结构设计，解决电暖器跌落过程中的面板变形问题。首先对电暖器包装件进行跌落试验，并分析电暖器产生破损的原因，然后运用Creo软件进行三维建模，运用Workbench软件对易损零部件及其优化方案进行跌落仿真对比分析。经跌落试验后得出，产品破损部件为电暖器面板，对面板进行跌落受力分析发现，面板内部无结构支撑，跌落过程中因自重使面板产生不可逆变形，通过结构优化并进行单个零部件仿真，最大应力值减小了28.5%。仿真软件作为一个有效辅助工具，与产品跌落受力分析结合应用，能够针对性简化仿真模型，较大程度提高结构优化效率，减少结构改模次数，提高方案准确性。关键词：电暖器包装；跌落试验；结构优化；仿真分析分类号：TB485.1产品运输过程中，通常会遇到的情况包括跌落、冲击、振动等，其中，冲击和振动是造成产品破损的主要原因。随着电商物流的发展及快递数量的增加，物流过程中产生的货损逐渐突显，其中对于家电类产品，跌落冲击造成的产品破损尤为明显。包装作为一门综合性学科，涵盖结构力学、材料力学、包装动力学等多个方面，为能更加直观清晰地了解跌落冲击过程中产品产生的应变、应力、加速度等响应，评估产品破损点及分析造成破损的工况，或对包装方案进行优化降成本等，越来越多的研究学者开始借助有限元分析手段。部分学者 1-3 通过对电饭煲等产品进行ANSYS仿真分析得出，跌落过程中的最大应力值均处于安全范围内，证明包装设计缓冲有效，以此评价包装方案能够在运输过程中对产品起到保护作用；刘显威等 4、李收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 6作者简介：郭静，女，硕士，工程师，研究方向为家电产品包装设计及研究。36志强等 5 分别对空调及嵌人式洗碗机进行ANSYS仿真分析，以达到降低包装成本的目的；还有部分学者 6-8 将包装跌落试验及仿真分析相结合，进行数据有效性及准确性对比，得出改进后的包装设计方案能够在强度方面满足包装运输的要求；除单次跌落的有限元模型外，张鹏娥等通过对空调内机采用DYNAIN方法进行连续跌落有限元分析，为家电产品研发设计提供了重要的指导。上述仿真分析有两个共同点：一是对整机连同包装件完整模型进行仿真分析，二是以优化包装方案为主，但从包装设计机理的两个角度来解决产品破损0。第一个角度是改善产品结构，提高产品脆值，提升产品自身强度；第二个角度是完善缓冲方案，提升缓冲性能或优化包装设计成本。结合企业实际情况，产品结构完成建模后，就进入模具打合阶段，预留包装设计及仿真分析的时间有限，整机仿真模型处理及画网格周期长，仿真数据库建立并不完善，当前仿真技术条件下，完全依赖仿真分析进行包装设计还需要进一步的研究，但以仿真分析结合产品跌落受力分析，能够较大程度简化仿真模型，提高仿真效率及准确性。本文以某型号电暖器开发过程中跌落破损点为研究对象，对破损部位进行跌落过程的受力分析，分析面板变形的原因、跌落的方向，借助仿真分析工具对多个优化方案进行对比，选择较优方案进行改模，然后进行实物跌落测试，以验证方案的有效性。1电暖器包装跌落试验及变形受力分析1.1电暖器包装跌落试验试验所用电暖器产品包装尺寸8 6 5mm205mm661mm，毛重8.8 3kg，整机由前后壳、脚架等注塑件，以及面板、底板、发热体、衣架等钣金件组成，根据产品造型、结构特性，选择四角EPS作为缓冲包装材料进行防护，包装箱为5层瓦楞纸板，电暖器包装如图1所示。上海包装总第32 6 期2 0 2 3年第6 期智能包装?图1电暖器包装测试前，检查样机及包装物料状态，进行温湿度调节处理。试验时，将打包好的产品放置在跌落试验图3包装装配示意图机上，按照非标1.3m、8 角、4棱、6 面进行跌落测试。试验后，拆包检查样机，发现面板出现下凹变形，如图2 所示。须对电暖器跌落情况进行详细受力分析，确定失效原因，针对性制定改善措施。(a）面板侧视图图2 跌落试验后的面板变形图1.2面板变形结构受力分析面板变形区域无包装泡沫包裹，电暖器包装方式如图3所示，由此分析面板变形不是来自与包装泡沫接触的外力。从产品结构分析，面板为凹字形半包结构，底板为大板结构，面板翻边与底板四周面线接触连接，面板左右两端分别为前后壳注塑件。因产品性能需要，仅在面板与底板之间顶部有一片导热板连接，其他区域无任何部件作为连接支撑件，如图4所示，也即面板中间很大一片面积内外均未接触任何部件。整个电暖器结构类似于一个内部处于空腔状态的扁平状壳体，面板变形下凹区域无任何接触受力面。电暖器面板结构框架类似于多个简支梁结构并列累加而成，其受力可等效为多个简支梁结构共同作用，简易受力模型如图5所示。卢富德等 12 利用差分方法分析简支梁结构，得出梁的最大位移发生在梁结构中间位置；梁的中点处最大加速度响应值远大于产品主体的最大加速度响应值。简支梁中间位置的最大应力是否超过弹性部件的极限可以作为判断产品失效的一个有效依据。结合受力分析评估，面板变形为其特别(b）底板侧视图导热板衣架面板底板发热体脚架(c）整机剖面图图4整机剖面及部件示意图37智能包装2023年第6 期总第3 2 6 期上海包装的结构特性所致。跌落过程中，因自身钣金重力作用，在跌落底板侧大面时，面板向下的惯性力大于面板自身的应力，导致跌落后出现面板下凹变形，属于产品自身结构下的脆值属性。（a）简支梁结构简易受力模型（b）面板简化结构模型图5简易受力模型示意图对比面板和底板,两者钣金厚度一致,均为0.6 mm,同为大面结构，且包装防护方式对称，底板未发生面板类似下凹变形情况。从结构设计分析，一方面，导热板一端连接在面板顶部，另一端固定在底板约1/4结构处，对底板结构有一定支撑作用；另一方面，底板底部结构约1/4处开槽格栅上方有两条间隔的凹凸加强筋，对底板局部结构有加强作用；综合底板结构设计及其与周边部件的连接关系，底板在跌落过程中仅中间部分结构受重力影响较大，其面积约为面板的1/2，从而钣金瞬间产生的变形量相对较小，故未发生如同面板一样的下凹大变形。根据受力分析情况，评估跌落产品大面时出现面板下凹变形，打包一台完整样机，模拟测试条件对上述分析进行验证，复现测试问题点。按照8 角、4棱、6面的跌落顺序，采取跌落完一个方位拆机检查样机的方式复现，跌落底板侧大面时，出现面板变形，与受力分析情况相符。综合上述分析，若通过更改包装方案优化面板变形，涉及包装泡沫加厚，造成包装成本增加，同步包装体积也会加大，进一步加大了仓储及物流运输成本。38故最终选择通过优化面板结构，加强结构强度方式解决面板变形问题。2易易损结构优化及仿真分析2.1结构优化面板为0.6 mm厚热镀锌板（涂油）Q235A钣金材料，长宽尺寸为6 6 6 mm500mm，从变形的面板实物分析，面板从顶部开槽格栅以下的一条凹筋处开始产生下凹变形，该加强筋在面板顶部往下155mm处，长590.5mm，宽10.8 mm，深3.1mm。结合受力分析，最直接的优化方案是在面板中间位置进行凹凸加强筋设计，加强最易变形区域强度。因面板属于外观面，结构变化对外观影响较大，综合评估后选取两种优化方案与原方案进行对比分析，如表1和图6 所示。表1面板优化方案序号面板局部结构加强方式加强筋在面板顶部往下155mm处，加强筋结构原方案长590.5mm，宽10.8 mm，下凹深度3.1mm加强筋在面板顶部往下155mm处，两条加强筋结优化方案1构间隔2 0 mm，单条长590.5mm，宽10.8 mm，下凹深度3.1mm加强筋在面板顶部往下145mm处，加强筋结构优化方案2长590.5mm，宽2 0 mm，下凹深度4.1mm2.2仿真分析2.2.1前处理通过跌落受力分析，面板变形位置无其他部件接触，是单个零件自身强度不足导致的变形。考虑到钣金部件较难制作手板，同时为缩短仿真周期，本文仅对面板单个零部件进行仿真受力分析，用静力学分析代替模拟面板在理想状态下冲击地面时的受力情况，对比选择较优方案进行改模。定义材料参数，面板钣金Q235，杨氏模量200000MPa，泊松比0.3；根据面板自身的重量，模拟理想状态下以50 G的加速度冲击地面的受力情况，底面四周施加固定约束，面板上添加集中力553N。同时为了提高网格质量和计算速度，将面板上较小的圆角进行几何清理，如翻边圆角等。由于面板体是厚度均匀的钣金件，因此采取先抽中面，再画网格的形式，按照网格尺寸3mm进行网格划分。在Workbench的网格划分Mesh模块中，可通过观察单元质量显示数值评判网格质量，单元质量取值范围为0 1，数值越大，表示网格质量越好，数值越小，则网格质量越差，该面板网格质量达0.9 2 6 7 5，网格参数如图7 所示。上海包装总第32 6 期2 0 2 3年第6 期智能包装?Details ofMeshDisplayDefaults(a）网格参数国sizingQualityCheckMeshQual.ErrorLimitsTargetQualitySmoothingMeshMetricMinMaxAverageStandard Devi.(a）原方案Yes,ErrorsStandard MechanicalDefault(0.05000)MediumElementQuality4.8075e-0020.999450.926750.13009(b）面板网格图图7 网格参数示意图B:Static StructuralFixed SupportTime:1.5(b）优化方案12022/10/2813:57Fixed SupportB:Static StructuralForceTime:1.52022/10/2813:59DForce:553.NComponents:0,0,-553.N（c）优化方案2图6 面板优化方案在理想状态下，面板体撞击地面时面板体的四周最下沿的面先接触到地面，面板体的顶面由于内部没有支撑，受重力加速度的影响继续向下冲击，因此将固定约束设计在面板体四边最下沿的面上。由于是模拟面板体在理想状态下以50 G的加速度向下冲击的，因此将载荷设置在顶面上，面板体顶面一小部分是镂空的重量，主要的重量集中在没有镂空的部分，根据没有镂空的顶面质量和冲击加速度计算出载荷并且加载553N，受力条件设置如图8 所示。图8 受力条件设置2.2.2仿真结果分析按照上述仿真设定条件，对三种面板方案进行受力分析，如图9和表2 所示，可以看出面板在跌落冲击过程中最大变形会出现在中间部分。其中，压筋宽39智能包装2023年第6 期总第32 6 期上海包装A:Static StructuralEquivalent Stress,Type:Equivalent(von-Mises)Stress-Top/BttomUnit:MPaTime:12022/10/2814:07785.5Max698.22610.95523.67436.39349.11261.83174.5687.278OMinA:Static StructuralTotal DeformationType:Total DeformationUnit:mmTine:12022/10/2814:0970.741Max62.88155.02147.16139.30131.44123.5815.727.8602OMin(a）原方案B:Static StructuralEquivalentStressType:Equivalent(von-Mises)Stress-Top/BottomUnit:MPaTime:12022/10/2814:13627.2Max557.51487.82418.13348.44278.76209.07139.3869.689OMinB:Static StructuralTotal DeformationType:Total DeformationUnit:mmTime:12022/10/2814:1461.153Max54.35847.56340.76933.97427.17920.38413.596.7948OMin(b)方案1C:Static StructuralEquivalentStressType:Equivelent ivon-Mises)Stress-Top/BttomUnit:MPaTirne:12022/10/28:14:18561.94Max499.5437.06374.62312.19249.75187.31124.8762.437OMinC:Static StructuralTotal DeformationType:TotalDeformationUnit:mmTime:12022/10/2814:1955.309Max49.16443.01836.87330.72724.58218.43612.2916.1454OMin(c）方案2图9各方案仿真受力云图表2 各方案最大应力一变形对比项目原方案最大应力/MPa785.500最大变形/mm70.741度增加有较好的效果，变形量和应力值均有减小，方案2 较原方案最大变形量减小了2 1.8%，最大应力值减小了2 8.5%，方案1较原方案最大变形量减小了4013.6%，最大应力值减小了2 0.2%。方案1方案2627.200561.94061.15355.309综合上述有限元分析得出，方案2 的优化结果较为显著，故选择方案2 进行改模。2.2.3优化方案跌落验证选择压筋加宽至2 0 mm的钣金结构改模，采用改模后样件，按照原方案同等跌落工况进行对比验证，如图10、图11所示，拆机检查，电暖器钣金外观无上海包装总第32 6 期2 0 2 3年第6 期智能包装?点，提高产品脆值，是解决产品破损的一种有效方法；通过结构优化改善问题点，不增加包装成本，同时结合仿真进行方案优化，减少改模次数，提升方案准确性；（2）通过零部件连接关系、部件受力情况，对破损部件进行受力分析，锁定造成异常的跌落方向，再结合仿真软件进行优化方案的可行性评估，能够大大缩减整体的仿真周期；（3）在进行跌落试验破损分析时，可采用逐次跌落拆机检查样机状态的方法，锁定造成产品破损的主要跌落方向，有利于破损受力分析，有利于更好地制图10 优化后电暖器跌落外观检查图11优化后电暖器跌落内部结构检查变形，内部结构无异常。3结语结合面板变形受力分析，评估面板跌落底板侧会产生变形，对多种面板优化方案进行仿真分析对比，优选更改小且效果明显的方案，改模后经包装跌落验证具有良好的改善效果。（1）产品包装跌落破损，改善结构加强产品薄弱定改善措施。虽然逐次跌落拆机存在一定不完整性，结合多年实例发现，大多数跌落破损能在逐次跌落试验中复现破损的具体方向。参考文献1常江,巩雪.电饭煲运输包装设计及跌落仿真分析 .包装学报,2 0 19,11(5):38-43.2张帆，汤婧雅，朱友林.基于ANSYSWorkbench的多士炉包装设计与仿真分析 .数字印刷,2 0 2 0,1:2 9-37.3孙德强，石威，李彬,等.基于ANSYSWorkbench的投影仪运输包装仿真分析 1.包装工程,2 0 2 1,42(9):11-16.4刘显威，肖肖，朱森旺，等.跌落仿真在分体式空调器室内机包装优化的应用 .家电科技,2 0 18(11):58-6 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