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        基于ANSYS Workbench的LED電視包裝件優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2020-08-28 17:15:25KanokpornWONG-ON
        機(jī)電信息 2020年24期
        關(guān)鍵詞:有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

        Kanokporn WONG-ON

        摘? 要:將有限元分析(FEA)應(yīng)用于LED電視包裝件的隨機(jī)振動(dòng)仿真和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用有限元分析軟件ANSYS Workbench建立LED電視包裝件模型,設(shè)置材料參數(shù),進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析,然后利用EPE代替EPS緩沖材料,對(duì)LED電視包裝件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)比優(yōu)化前后LED電視包裝件的緩沖墊質(zhì)量和總變形等參數(shù)。研究表明:優(yōu)化后的包裝件在有效保護(hù)產(chǎn)品的前提下,其襯墊和包裝箱材料分別減少了37.71%和4.7%,達(dá)到了減量化設(shè)計(jì)的目的。

        關(guān)鍵詞:LED電視包裝件;隨機(jī)振動(dòng);有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

        0? ? 引言

        隨著家電消費(fèi)的不斷增加,產(chǎn)品包裝扮演的角色越來(lái)越重要。家電包裝件包括產(chǎn)品、緩沖襯墊和瓦楞紙箱,為驗(yàn)證緩沖包裝的可靠性,一般需要進(jìn)行運(yùn)輸包裝試驗(yàn),但試驗(yàn)過(guò)程是破壞性的,對(duì)產(chǎn)品的損傷很大。而使用有限元分析,則可有效避免這一情況,且方便修改設(shè)計(jì)和分析參數(shù),以獲得包裝成本盡可能小、包裝效果盡可能好的緩沖包裝設(shè)計(jì)。

        本文采用ANSYS Workbench進(jìn)行LED電視的靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析和緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得了用EPE泡沫代替EPS泡沫的新的緩沖包裝設(shè)計(jì)結(jié)果,并對(duì)比分析了原包裝與優(yōu)化包裝之間的測(cè)試結(jié)果。

        1? ? LED電視包裝有限元分析基礎(chǔ)

        1.1? ? 模型建立

        所使用的樣品是SAST LED電視機(jī),型號(hào)為L(zhǎng)Y315-DH01,規(guī)格為730 mm×76 mm×435 mm,外包裝為瓦楞紙箱,尺寸為781 mm×135 mm×500 mm。緩沖襯墊材料是EPS泡沫,以角包裝形式保護(hù)電視免受損傷,并用蜂窩紙板保護(hù)電視屏幕。利用建模軟件SolidWorks創(chuàng)建LED電視包裝件模型,包括LED電視、瓦楞紙箱、EPS泡沫、蜂窩紙板四部分。

        1.2? ? 參數(shù)設(shè)置

        選用Hex-dominant作為網(wǎng)格元件,對(duì)LED電視包裝件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖1所示,其節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 694 246,單元數(shù)為438 430。選用Boned和Frictional兩種接觸,Boned接觸指電視本體和部件之間的接觸,而Frictional接觸指電視、包裝盒和緩沖材料之間的接觸,材料表面的摩擦系數(shù)設(shè)為0.12。

        建模時(shí)需要指定材料屬性,如表1所示,以使模型最接近實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

        2? ? 新型LED電視包裝設(shè)計(jì)優(yōu)化

        2.1? ? 優(yōu)化模型

        新設(shè)計(jì)應(yīng)減少緩沖材料的數(shù)量,以減輕包裝的重量,同時(shí)保證有效性,以防止產(chǎn)品損壞。本文用EPE泡沫代替EPS泡沫設(shè)計(jì)了新的緩沖包裝結(jié)構(gòu),如圖2所示,選取襯墊重量、總變形、第一自然頻率作為目標(biāo)函數(shù),控制參數(shù)范圍如表2所示。

        2.2? ? 優(yōu)化結(jié)果

        本文設(shè)計(jì)了6種不同尺寸的EPE泡沫襯墊,優(yōu)化結(jié)果如表3所示。H1對(duì)第一自然頻率(P5)的敏感性最高,影響最大,呈正相關(guān)關(guān)系;對(duì)于緩沖墊質(zhì)量(P6)和總變形(P4)敏感性略低,但總變形呈負(fù)相關(guān)?;谝陨弦蛩氐姆治?,優(yōu)化結(jié)果主要通過(guò)改變H1的長(zhǎng)度和調(diào)整H2的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        基于上述原因,選擇OP1作為新的緩沖設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果與原包裝對(duì)比如表4所示。優(yōu)化后系統(tǒng)性能有了明顯的提高,緩沖墊質(zhì)量、箱體尺寸、最大變形均顯著降低,達(dá)到了輕量化包裝的目的。

        3? ? 原包裝與新包裝有限元分析結(jié)果對(duì)比

        優(yōu)化后的包裝與原始包裝靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析如圖3所示。結(jié)果表明,優(yōu)化后的包裝瓦楞紙箱總變形從2.226 mm減少到1.558 mm,減少30%;等效應(yīng)力從37.6 MPa降到37.375 MPa,減少0.6%??梢姡珽PE作為緩沖材料的性能優(yōu)于EPS,達(dá)到了輕量化包裝的目的。

        4? ? 結(jié)語(yǔ)

        本文將FEA應(yīng)用于電視包裝件的靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析和緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),新的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅減小了電視包裝的尺寸,還減少了在運(yùn)輸過(guò)程中造成的損壞,降低了物流成本。使用FEA能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)品損壞的位置,減少試錯(cuò)過(guò)程和試驗(yàn)損耗,為緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

        收稿日期:2020-06-05

        作者簡(jiǎn)介:Kanokporn WONG-ON(王佳穎)(1993—),女,泰國(guó)人,碩士研究生在讀,研究方向:包裝動(dòng)力學(xué)。

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