劉顯威 肖肖 朱森旺 賀志 惠順利

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528311

1 引言

家電產(chǎn)品由生產(chǎn)端到消費(fèi)者終端，在搬運(yùn)與運(yùn)輸過程中，往往會(huì)經(jīng)受外界的各種碰撞、振動(dòng)以及沖擊破壞。合理的設(shè)計(jì)產(chǎn)品緩沖包裝結(jié)構(gòu)顯得尤為重要，以往家電產(chǎn)品的緩沖包裝設(shè)計(jì)的好壞往往依賴包裝設(shè)計(jì)工程的經(jīng)驗(yàn)來決定，沒有可靠的理論依據(jù)，這樣設(shè)計(jì)出來的緩沖包裝結(jié)構(gòu)或多或少都會(huì)存在過保護(hù)。隨著近年來包裝材料成本日益上漲，家電行業(yè)整體利潤(rùn)逐漸走低，為了保證產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力與盈利水平，對(duì)原有緩沖包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為家電廠家降低成本，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段[1,2]。

2 包裝優(yōu)化與跌落仿真

傳統(tǒng)的緩沖包裝優(yōu)化手段，主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)重新設(shè)計(jì)方案，然后進(jìn)行實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證，反復(fù)多次進(jìn)行優(yōu)化，這樣多次實(shí)物測(cè)試費(fèi)用較高，比較耗時(shí)，往往還達(dá)不到有效的降本收益[3]。利用跌落仿真分析技術(shù)能夠有效的模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中發(fā)生的碰撞與沖擊，能有效直觀的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，有針對(duì)性的對(duì)緩沖泡沫結(jié)構(gòu)進(jìn)行避空，避免外界沖擊力傳導(dǎo)至產(chǎn)品薄弱部位，通過跌落仿真分析還可以發(fā)現(xiàn)緩沖泡沫各工況，壓縮變形量，對(duì)壓縮變形量較小的泡沫部位尺寸可進(jìn)行減薄或偷料。本文以一款分體式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)為例，研究跌落仿真分析在緩沖泡沫結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[4,5]。

圖1為該款空調(diào)器室內(nèi)機(jī)現(xiàn)有包裝左右緩沖泡沫結(jié)構(gòu)圖，其材質(zhì)為發(fā)泡聚苯乙烯（EPS），該泡沫緩沖結(jié)構(gòu)存在局部緩沖過厚，對(duì)產(chǎn)品存在一定的過保護(hù)，緩沖泡沫外尺寸過大，相應(yīng)配套的紙箱尺寸過大，產(chǎn)品包裝整體材料成本較高，儲(chǔ)運(yùn)成本也較高。本文利用Ls-Dyna模擬產(chǎn)品跌落沖擊過程，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)薄弱處，以及泡沫結(jié)構(gòu)過保護(hù)部位，快速針對(duì)性的對(duì)泡沫結(jié)構(gòu)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到降本增效目的。

3 跌落仿真對(duì)空調(diào)器室內(nèi)機(jī)包裝緩沖泡沫優(yōu)化

3.1 空調(diào)器室內(nèi)機(jī)網(wǎng)格建模

3.1.1 幾何模型說明

空調(diào)器室內(nèi)機(jī)主要由底盤組件、面框組件、面板組件、導(dǎo)風(fēng)板、蒸發(fā)器組件、電機(jī)等零部件組成，零件之間的連接主要是通過卡扣與螺釘連接，塑料件材質(zhì)主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）、抗沖擊性聚苯乙烯塑料（HIPS）、聚碳酸酯塑料（PC），鈑金件材質(zhì)主要由紫銅（Cu）與鍍鋅鋼板（SPCC）。圖2與圖3為空調(diào)器室內(nèi)機(jī)主要零部件結(jié)構(gòu)分布圖。

圖1 室內(nèi)機(jī)左右緩沖泡沫結(jié)構(gòu)

圖3 空調(diào)器室內(nèi)機(jī)底側(cè)

圖2 空調(diào)器室內(nèi)機(jī)頂側(cè)

圖4 空調(diào)器室內(nèi)機(jī)整機(jī)模型

圖6 底面跌落原右泡沫壓縮形變?cè)茍D

圖7 頂面跌落原左泡沫壓縮形變?cè)茍D

圖9 左側(cè)跌落原左泡沫壓縮形變?cè)茍D

圖8 頂面跌落原右泡沫壓縮形變?cè)茍D

圖10 右側(cè)跌落原右泡沫應(yīng)力云圖

3.1.2 網(wǎng)格模型劃分

模型中鈑金件與紙箱采用四邊形殼單元（少量三角形單元），塑料件以及泡沫結(jié)構(gòu)采用四面體單元和六面體單元，蒸發(fā)器組件金屬部分不考慮失效采用剛性單元，風(fēng)輪電機(jī)用mass質(zhì)量點(diǎn)單元代替，螺釘連接采用nodal rigid剛性連接，不考慮鏈接失效。圖4為空調(diào)器室內(nèi)機(jī)整機(jī)網(wǎng)格模型（帶原緩沖泡沫網(wǎng)格模型）。

3.1.3 材料參數(shù)的設(shè)定

金屬與塑料材料采用LS-Dyna軟件中24號(hào)各項(xiàng)同性彈塑性材料模型；EPS泡沫采用63號(hào)可壓碎泡沫材料模型，導(dǎo)入相應(yīng)密度的泡沫材料的體積應(yīng)變/應(yīng)變曲線；在跌落過程中，由于瓦楞紙板相對(duì)泡沫來說對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)緩沖較小，對(duì)瓦楞紙板結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，不考慮其材料的各項(xiàng)異性屬性，采用3號(hào)彈朔性材料模型。空調(diào)器室內(nèi)機(jī)主要材料力學(xué)參數(shù)見表1所示。

3.1.4 邊界條件設(shè)定

（1）跌落工況的設(shè)定：對(duì)模型的底面4個(gè)角4個(gè)棱，整個(gè)模型6個(gè)面進(jìn)行跌落仿真分析，跌落高度標(biāo)準(zhǔn)見表2，原緩沖泡沫結(jié)構(gòu)包裝方案730mm跌落，各跌落工況未產(chǎn)品出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，現(xiàn)應(yīng)公司品質(zhì)要求，優(yōu)化后的緩沖泡沫結(jié)構(gòu)方案對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)性要求不比原方案差：即在730mm跌落高度14個(gè)跌落工況產(chǎn)品不能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象, 新緩沖泡沫結(jié)構(gòu)在1200mm極限跌落高度14個(gè)跌落工況，產(chǎn)品跌落后的狀態(tài)不比原方案差。跌落分析模擬極限跌落高度為1200mm。

圖11 右側(cè)跌落原右泡沫壓縮形變?cè)茍D

圖13 前側(cè)跌落左右泡沫壓縮形變?cè)茍D

圖12 右側(cè)跌落原右泡沫應(yīng)力云圖

圖14 后側(cè)跌落左右泡沫壓縮形變?cè)茍D

（2）跌落過程產(chǎn)品與底面接觸速度設(shè)定：產(chǎn)品實(shí)際跌落過程是從跌落臺(tái)自由落體，以1200mm為跌落高度。在仿真邊界條件設(shè)定過程中，由于產(chǎn)品自由落體的過程中只受到自身重力與空氣的摩擦阻力，自由落體階段產(chǎn)品不會(huì)發(fā)生變形，仿真分析只用模擬產(chǎn)品與剛性地面碰撞以及回彈過程。產(chǎn)品自由落體過程中空氣摩擦阻力相對(duì)重力而言可以忽略不計(jì)，產(chǎn)品碰撞地面的初速度V0。由能量守恒定律重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，如公

其中：m為空調(diào)器室內(nèi)機(jī)毛重，g為重力加速度，H為跌落高度，可計(jì)算V0=4852mm/s。

（3）重力加速度設(shè)定g取值為9810mm/s2。

（4）接觸設(shè)置：由于室內(nèi)機(jī)產(chǎn)品零件過多，設(shè)置接觸對(duì)較費(fèi)時(shí)，本分析采用全局接觸設(shè)置。

3.2 仿真分析運(yùn)算與泡沫優(yōu)化

3.2.1 原泡沫方案跌落仿真分析結(jié)果

由圖5可知在底面跌落過程中，原左泡沫結(jié)構(gòu)方框標(biāo)記處偷料位形變量較小，主要起緩沖作用部位是左泡沫底部未偷料部位，原中間偷料位形狀為平切口，泡沫用料過多，該處可根據(jù)泡沫內(nèi)側(cè)容腔形狀進(jìn)行重新優(yōu)化做楔形切口，泡沫最小肉厚20mm保證連接屬性。由圖6可知在底面跌落過程中，原右泡沫底部橢圓標(biāo)識(shí)部位壓縮量較小，原設(shè)計(jì)方案依據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為右側(cè)機(jī)內(nèi)含風(fēng)輪電機(jī)以及控盒組件，右側(cè)重量更為集中，對(duì)右泡沫下側(cè)進(jìn)行了加長(zhǎng)，增加對(duì)產(chǎn)品保護(hù)。但經(jīng)過仿真分析發(fā)現(xiàn)原右泡沫下側(cè)加長(zhǎng)部位壓縮變形量小，未起到較大的緩沖作用，該部位可切除。下側(cè)偷料位結(jié)構(gòu)左泡沫保持一致。由圖7與圖8可知在頂面跌落過程中左右泡沫壓縮變形較小，左泡沫標(biāo)記拐角處圓形偷料孔無變形；右泡沫標(biāo)記拐角圓形偷料孔輕微變形。說明左右泡沫緩沖厚度可適當(dāng)減薄處理，中間圓形偷料孔偷料不足，可進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。如圖15，根據(jù)泡沫內(nèi)腔形狀，對(duì)左右泡沫底部偷料孔根據(jù)內(nèi)腔適當(dāng)做平切與斜切形式，圓形偷料孔改為三角形偷料孔，對(duì)左右泡沫上部與下部進(jìn)行減薄處理。

圖15 優(yōu)化后泡沫結(jié)構(gòu)示意圖

圖16 底面跌落原泡沫結(jié)構(gòu)吸能曲線

圖17 底面跌落優(yōu)化泡沫結(jié)構(gòu)吸能曲線

由圖9和圖10可知，在左側(cè)跌落過程中，原左泡沫壓縮形變量較大，左泡沫受到做大應(yīng)力值下部大于上部；由圖11和圖12可知，在右側(cè)跌落過程中，原右泡沫壓縮形變量較大，右泡沫受到最大應(yīng)力值下部大于上部。左右兩側(cè)跌落過程中，左右泡沫壓縮形變量比較大，泡沫該側(cè)緩沖厚度保持不變，由于左右泡沫受到最大應(yīng)力值下部大于上部，這是由于整機(jī)總量集中于下側(cè)，跌落過程中對(duì)泡沫下側(cè)沖擊力較大，上側(cè)沖擊力較小，因此可對(duì)左右泡沫上部后側(cè)增加半月形偷料孔如圖15所示。

由圖13可知前側(cè)跌落過程中，左右泡沫前側(cè)壓縮量較大；由圖14可知后側(cè)跌落過程中，左右泡沫局部壓縮變形較大，其他部位壓縮變形量較小。從原泡沫發(fā)現(xiàn)前側(cè)緩沖厚度小于后側(cè)，說明緩沖厚度越厚跌落過程中其發(fā)生形變?cè)叫?，因此重設(shè)計(jì)左右泡沫方案保留前側(cè)緩沖厚度，對(duì)后側(cè)緩沖厚度進(jìn)行減薄。

3.2.2 泡沫方案優(yōu)化

如圖15為根據(jù)仿真分析結(jié)果優(yōu)化得到的泡沫結(jié)構(gòu)示意圖，主要優(yōu)化處有以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)底面跌落分析結(jié)果，右泡沫下側(cè)伸出部位起到緩沖作用較小，進(jìn)行切除。

（2）根據(jù)頂面與底面分析結(jié)果，泡沫上下側(cè)尺寸進(jìn)行減薄，泡沫下側(cè)根據(jù)內(nèi)側(cè)容腔形狀，最左側(cè)做平切偷料孔，中間和右側(cè)做斜切偷料孔，上部圓形偷料孔改為三角形偷料孔。

（3）根據(jù)左側(cè)與右側(cè)跌落分析結(jié)果，左右泡沫底部進(jìn)一步做半月形偷料孔。

（4）根據(jù)前側(cè)與后側(cè)跌落分析結(jié)果，泡沫前側(cè)緩沖厚度不變，后側(cè)減薄，前后側(cè)整體尺寸減小。

3.3 仿真驗(yàn)證對(duì)比

將優(yōu)化后的泡沫結(jié)構(gòu)建模替換原泡沫方案，進(jìn)行相同工況跌落仿真分析，其中部分易損零件最大應(yīng)力對(duì)比分析如表3，由表3分析結(jié)果可知，泡沫優(yōu)化后相較原方案對(duì)產(chǎn)品保護(hù)性更好。

如圖16所示，在底面跌落過程中，B為原方案左泡沫吸能曲線，其最大吸能值為4.17E+4，A為原方案右泡沫吸能曲線，其最大吸能值為4.16E+4；如圖17所示，在底面跌落過程中，B為優(yōu)化后方案左泡沫吸能曲線，其最大吸能值為4.34E+4，A為優(yōu)化后方案右泡沫吸能曲線，其最大吸能值為4.21E+4；比較優(yōu)化前后左右泡沫最大吸能值，優(yōu)化后左右泡沫最大吸能值相對(duì)原方案均有所提高，優(yōu)化后的泡沫對(duì)跌落過程中產(chǎn)品動(dòng)能吸收得更多，說明優(yōu)化后泡沫方案緩沖性大于原方案，優(yōu)化效果明顯。

4 優(yōu)化方案實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證研究

4.1 常規(guī)跌落測(cè)試

跌落高度為730mm，跌落工況為底面4角4棱6面共14個(gè)工況，其中棱角跌落翻轉(zhuǎn)角度為45°，優(yōu)化包裝方案進(jìn)行14個(gè)跌落工況測(cè)試，產(chǎn)品塑料件無開裂發(fā)白現(xiàn)象，鈑金件沒有明顯變形，機(jī)器上電運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

4.2 極限跌落測(cè)試

跌落高度為1200mm，跌落工況為底面4角4棱6面共14個(gè)工況，其中棱角跌落翻轉(zhuǎn)角度為45°，原方案與優(yōu)化方案進(jìn)行分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖18所示。其中，原方案左端蓋卡扣斷裂，優(yōu)化方案未出現(xiàn)斷裂，改善效果明顯；原方案底盤與面框配合卡扣斷裂，優(yōu)化方案未出現(xiàn)斷裂，改善效果明顯。

表1 空調(diào)器室內(nèi)機(jī)主要材料力學(xué)參數(shù)

表2 空調(diào)器室內(nèi)機(jī)跌落標(biāo)準(zhǔn)

表3 部分易損零件最大應(yīng)力對(duì)比分析

圖18 原方案與優(yōu)化方案1200mm極限跌落結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文利用CAE仿真技術(shù)對(duì)一款包裝存在過保護(hù)的分體室內(nèi)掛機(jī)進(jìn)行整機(jī)仿真建模與運(yùn)算，分析泡沫在各跌落工況壓縮變形情況，以及產(chǎn)品高失效風(fēng)險(xiǎn)零件與部位，發(fā)現(xiàn)泡沫的過保護(hù)以及緩沖不合理的結(jié)構(gòu)部位，并有針對(duì)性的進(jìn)行泡沫結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改善，并與原方進(jìn)行了仿真驗(yàn)證對(duì)比分析以及實(shí)物驗(yàn)證對(duì)比分析。通過仿真對(duì)比結(jié)構(gòu)與實(shí)測(cè)對(duì)比分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)效果更佳，產(chǎn)品品質(zhì)得到改善。其中優(yōu)化方案相對(duì)原方案整體尺寸減少，材料用量下降23.7%，單臺(tái)成本下降約1.6元。通過仿真分析不僅可以有效快速找到原包裝設(shè)計(jì)不合理結(jié)構(gòu)，并針對(duì)性提出優(yōu)化改善方案，提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低成本，并且能為新產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。