■ 文/珠海格力電器股份有限公司 張瑩

一、研究背景

近年來空氣凈化器產(chǎn)品銷售市場快速發(fā)展，使企業(yè)開始重視空氣凈化器板塊的產(chǎn)品開發(fā)，市場銷售的激烈競爭，要求產(chǎn)品務(wù)必縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，運(yùn)輸包裝設(shè)計開發(fā)作為產(chǎn)品開發(fā)中一個重要的板塊，需要在產(chǎn)品開發(fā)前端評估好產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu)抗沖擊強(qiáng)度，減小或消除產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的破損故障率，使產(chǎn)品完好無損的到客戶手中。

目前運(yùn)輸包裝行業(yè)普遍以設(shè)計經(jīng)驗(yàn)值作為原型包裝設(shè)計依據(jù)，因測試產(chǎn)品的G值需要實(shí)際功能樣機(jī)，且做多組跌落測試，才可得到準(zhǔn)確的G值，如在此階段測得產(chǎn)品脆值再做改善，產(chǎn)品模具改善空間有限，故多以增加緩沖包裝厚度或面積來補(bǔ)足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，即利用緩沖材料的彈性變形降低外部傳遞到產(chǎn)品的沖擊力，導(dǎo)致包裝成本過高、包裝體積大等，不利于產(chǎn)品成本最優(yōu)。

在物流過程中，包裝產(chǎn)品受到機(jī)械沖擊、振動載荷作用，因包裝不善造成產(chǎn)品破損的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，緩沖、防振不夠是一個重要原因[1]。目前，對于包裝襯墊防沖擊設(shè)計的研究主要是通過對產(chǎn)品進(jìn)行跌落試驗(yàn)，測得內(nèi)裝產(chǎn)品在跌落沖擊外力作用下的動態(tài)力、加速度、位移等[2]，運(yùn)用試驗(yàn)的方法來檢驗(yàn)緩沖效果。這種方法對產(chǎn)品和包裝都具有很大的破壞性，并且需要多次重復(fù)試驗(yàn)，成本較高[3]；家電行業(yè)使用的緩沖包裝材料普遍為不可降解的EPS，不論從環(huán)保的角度，還是產(chǎn)品整機(jī)成本競爭力的角度，不推薦使用過多的包裝材料解決整機(jī)破損問題，而是在產(chǎn)品模型階段通過工程經(jīng)驗(yàn)、力學(xué)原理分析、仿真工具預(yù)先評估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及原型包裝的合理性，并通過仿真工具結(jié)合工程設(shè)計理論優(yōu)化改善。

二、研究目的

本文通過以一款全新開發(fā)的空氣凈化器作為研究機(jī)型，通過前端的工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)審產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案，鎖定強(qiáng)度薄弱部件，通過對薄弱部件的仿真分析，驗(yàn)證問題點(diǎn)，并使用Optistruct拓?fù)鋬?yōu)化功能優(yōu)化產(chǎn)品薄弱件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使空氣凈化器在特定包裝體積及成本的情況下，通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，避免增加包裝成本，提高整機(jī)的抗跌落沖擊能力，保證產(chǎn)品的運(yùn)輸可靠，提高產(chǎn)品的市場銷售競爭力。

三、研究過程

（一）空氣凈化器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成及裝配情況簡介

空氣凈化器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要由底座總成、風(fēng)道組件、前后支撐殼、左右支撐殼、過濾網(wǎng)組件、前后進(jìn)風(fēng)面板格柵組件組成，具體裝配順序如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)概況及裝配順序關(guān)系

（二）通過工程樣本對標(biāo)預(yù)審確認(rèn)一級易損件

1.通過工程經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)審，從單個部件的強(qiáng)度、各個連接部件的卡扣螺栓強(qiáng)度、相鄰部件的間隙三個模塊進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)審查，將一級易損件的范圍確認(rèn)為連接產(chǎn)品重心部件的螺釘柱、具有懸臂特征的結(jié)構(gòu)、面板卡扣部件，一級易損件涉及功能體現(xiàn)、銷售外觀等重要作用，如有異常更改受限制較大，需要精確的參數(shù)指導(dǎo)確保一次性更改到位；其他二級薄弱部件，通常不需要通過仿真分析，即可確認(rèn)改善方案。

通過分析后，將一級易損件定為產(chǎn)品重心電機(jī)風(fēng)葉組件，其結(jié)構(gòu)為采用螺釘連接的方式固定在一其中一側(cè)風(fēng)道上，螺釘柱在垂直跌落方向上為懸臂結(jié)構(gòu)，具體可見如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵薄弱部件結(jié)構(gòu)示意圖

2.各關(guān)鍵部件材料參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 關(guān)鍵部件的材料參數(shù)

表2 LS-DYNA中涉及使用的材料類型

3.網(wǎng)格劃分及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

規(guī)則模型使用六面體單元，其余用四面體單元，關(guān)注部位局部細(xì)化，保證厚度方向有2-3層基本網(wǎng)格，尺寸全局為3mm，局部關(guān)注部位細(xì)化尺寸為1mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)277萬，單元數(shù)980萬，產(chǎn)品部件接觸設(shè)置中除螺栓螺母用綁定，其余用無摩擦接觸，質(zhì)量縮放DT2MS = -1.2E-7，Ratio = 1.2015E-02, 計算時間0.04s，沙漏控制方面,部分單元使用全積分單元。

包裝泡沫在跌落過程中各部分間的實(shí)際接觸情況，底部泡沫與產(chǎn)品底部平面的接觸為光滑去摩擦接觸，與包裝泡沫曲面的接觸為摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.2。包裝泡沫與外箱上、下面的接觸為光滑去摩擦接觸，與外箱側(cè)面的接觸為法向不分離接觸。設(shè)置全部接觸對的接觸屬性均為非對稱接觸，接觸半徑為0.01 m，接觸算法為罰函數(shù)法，剛度更新均設(shè)為每個子步。對地面和產(chǎn)品分別施加遠(yuǎn)端位

移載荷，約束地面的6 個方向的自由度均為0，產(chǎn)品豎直方向自由度為無約束，其余5個自由度為0[4]。

根據(jù)實(shí)際跌落情況，在仿真模擬狀態(tài)下等效為跌落高度10mm，，設(shè)置包裝件整體的初始速度為4.82m/s，方向?yàn)樨Q直向下，對整體施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。

（三）整機(jī)跌落分析

1.因主要的研究部件為裝配電機(jī)一側(cè)的風(fēng)道部件，電機(jī)為剛性體在跌落過程中無形變，本文暫不研究裝配在電機(jī)上的風(fēng)葉在跌落過程中的運(yùn)動軌跡及形變情況，故可將電機(jī)與風(fēng)葉等效為剛性質(zhì)量體；通過對整機(jī)模型簡化及特征的前處理，并對處理后的模型網(wǎng)格劃分具體如圖3所示。

圖3 整機(jī)包裝仿真分析模型

2.整機(jī)跌落關(guān)鍵風(fēng)道部件分析結(jié)果，跌落后，風(fēng)道螺釘柱根部及其背部筋條位置的等效應(yīng)力為60Mpa，風(fēng)道部件的材料屈服極限為50Mpa，破損現(xiàn)象為變形后的發(fā)白或是結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，設(shè)置塑性應(yīng)變后，應(yīng)力云圖此處已發(fā)生塑性變形，對于已斷裂破損位置，應(yīng)力云圖已將此處單元剔除， 故云圖內(nèi)已破損區(qū)域體現(xiàn)為單元缺失，具體情況見圖4所示。

圖4 整機(jī)仿真包裝跌落關(guān)鍵易損部件應(yīng)力云圖

3.分析結(jié)論，從分析的結(jié)果可以確認(rèn)目前的結(jié)構(gòu)方式無法滿足測試要求，出現(xiàn)螺釘柱根部斷裂的情況，從功能手板樣機(jī)的初步摸底測試及首樣驗(yàn)證的情況，也同步驗(yàn)證了此工況下的螺釘柱根部確實(shí)出現(xiàn)了不同程度的開裂破損，具體見如下圖5所示。

圖5 整機(jī)關(guān)鍵易損部實(shí)際包裝跌落破損位置與仿真結(jié)果對比圖

從實(shí)際測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析后，可確認(rèn)此設(shè)計研究方法有效可行，在三維模型階段即可通過鎖定易損部件，最易破損的測試工況，選定工況后，再針對性的做整機(jī)的跌落仿真，可有效的縮短仿真分析的周期，從而以最快的速度分析出易損部件的破損工況及條件，并針對出現(xiàn)的問題，在三維產(chǎn)品階段將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的改善。

四、關(guān)鍵易損部件改善方案設(shè)計

（一）使用Optistruct對易損部件進(jìn)行初步的拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)置目標(biāo)為柔度最?。患s束設(shè)置為體積約束上限為0.2，即占比20%；變量設(shè)置為單元密度，通過初步的計算后，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 易損部件拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)

（二）因目前拓?fù)鋬?yōu)化功能還不能分析實(shí)際模具生產(chǎn)的可實(shí)現(xiàn)性、整機(jī)風(fēng)道結(jié)構(gòu)流體分析等功能，故需要人為的對初步優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，主要考慮模具生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、整機(jī)風(fēng)道流體的影響性三方面因素，還需對電機(jī)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行最后的優(yōu)化，最終實(shí)際改善方案說明及結(jié)構(gòu)局部細(xì)節(jié)示意見圖7。

圖7 實(shí)際改善方案說明及結(jié)構(gòu)示意圖

（三）改善方案跌落仿真效果見圖8。

（a）改善方案應(yīng)力云圖

圖8 改善方案跌落仿真效果

（四）改善方案總結(jié),因斷裂的位置為結(jié)構(gòu)的根部及多處筋條相連接的位置，故在根部增加倒角，將單個筋條加高，以及在多個筋條的連接處在增加45°等腰的三角筋條，通過此改善方案，仿真及實(shí)際的跌落測試均未出現(xiàn)問題，證明改善方案確實(shí)符合要求。通過此案例，可以說明此模塊的跌落仿真模型、參數(shù)設(shè)置及改善方案可用于后續(xù)的包裝仿真跌落測試模塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用。

五、結(jié)語及展望

運(yùn)輸包裝設(shè)計、沖擊碰撞測試的研究本身為測試型學(xué)科，前期因缺少基礎(chǔ)材料參數(shù)、仿真綜合型人才少，物流的發(fā)展緩慢對包裝的要求低等因素，使仿真跌落測試在包裝設(shè)計上的應(yīng)用程度低，如今隨著電商物流爆炸式的提升，給運(yùn)輸包裝帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，家電產(chǎn)品激烈的競爭市場，整機(jī)包裝成本的降低有利于開發(fā)性價比更高的產(chǎn)品，將目前電商運(yùn)輸包裝過量的包裝成本，用于提升產(chǎn)品性能、包裝材質(zhì)和方式的體驗(yàn)感等，更能體現(xiàn)產(chǎn)品核心價值，從而增加產(chǎn)品的綜合競爭力。