劉彬彬 劉蕾 陸樹敏 梁德強 黃志飛 鐘勛

廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528300

0 引言

微波爐作為現(xiàn)代烹飪灶具的代表，因微波加熱的快捷性，受到了消費者的青睞，已進入千家萬戶，據(jù)統(tǒng)計，2021年全國微波爐總產(chǎn)量高達9997.87萬臺，并呈逐年上漲態(tài)勢[1]。嵌入式微波爐作為高端微波爐的代表，外觀簡潔大方，空間利用率高，可與廚房家電保持統(tǒng)一風格，廣受年輕消費者喜愛[2]。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的高速發(fā)展，線上銷售成為最重要的產(chǎn)品分銷渠道之一，包裝運輸已經(jīng)成為國內(nèi)外貿(mào)易的最重要的環(huán)節(jié)，在運輸、裝卸、搬運等環(huán)節(jié)上，存在一定的不確定性。嵌入式微波爐體積和重量較大，對包裝的可靠性提出了更高要求。

嵌入式系列產(chǎn)品因其具有節(jié)省空間、美觀協(xié)調(diào)、智能化等優(yōu)勢，且產(chǎn)品消費主體趨于年輕化，已成為中國年輕家庭的最喜愛家電品類之一，因此，近年來，嵌入式品類也迎來了暴發(fā)式增長。其中線上銷售占據(jù)了主要份額，由于嵌入式廚房電器結(jié)構(gòu)體積大，結(jié)構(gòu)復雜，給包裝、運輸提出了更高的要求。在實際運輸環(huán)節(jié)中，出現(xiàn)了一定比例的產(chǎn)品損壞，無論對消費者或生產(chǎn)商，均有一定的負面影響，因此，嵌入式品類的包裝可靠性就顯得尤為重要。

1 嵌入式微波爐跌落損傷分析

1.1 跌落損傷現(xiàn)狀

跌落是包裝運輸中最常見的破壞方式之一，是搬運場景中難以避免的，較易造成產(chǎn)品損傷，需要重點關注[3]。根據(jù)國標跌落標準GB/T 4857.5—2008和國際跌落標準ASTM D5276-98，根據(jù)不同的裝卸方式、包裝重量，并結(jié)合具體的搬運場景，來確定跌落實驗高度。通常，企業(yè)為了增加包裝可靠性，滿足不同復雜搬運場景，要求在國標基礎上，增加修正系數(shù)，提高現(xiàn)有標準。某型嵌入式微波爐根據(jù)企標跌落時，在跌落場景中，外罩發(fā)生嚴重變形，如圖1所示。機體跌落過程主要包含角跌落、棱跌落、面跌落三種方式，機體外罩變形主要發(fā)生在棱跌落場景，其條件如下：

圖1 機體棱跌落變形情況

棱跌落時，使實驗樣品的重力線通過被跌落的棱，構(gòu)成該棱的兩個平面的一個平面與沖擊面夾角誤差不大于±5°或此夾角的10%；跌落的棱與水平面平行，其夾角最大不超過2°，按照企標進行棱跌落時，出現(xiàn)底板與側(cè)外罩變形的情況，如圖1所示。

1.2 跌落損傷過程分析

機體外罩產(chǎn)生變形，主要發(fā)生在棱跌落過程中，根據(jù)企標QMWJCN07.187進行棱跌落時，低落過程分為4個階段[4]，stage1自由落體階段，包裝箱整體從初始位置H0跌落，設跌落面為剛性面，進行自由落體，不計空氣阻力；stage2撞擊臨界時，當包裝和地面接觸瞬間時的臨界速度，此時的動能為（如圖2所示）；state3跌落剛性面時，能量被包裝和機體吸收，此時，包裝泡沫襯墊開始變形，機體外罩的棱受到?jīng)_擊，此時合力F反向向下，由于嵌入式質(zhì)量和體積較大，跌落后跳彈高度很小，此處不予考慮；state4隨后包裝緩沖物形變恢復，速度vt方向向上，碰撞瞬間有部分能量損耗，以熱量形式Q散出，此處不做考慮，即取Q=0，故碰撞時，機體和包裝受到的沖擊能量：

圖2 棱跌落過程示意

式中：

Q1-表示最大沖擊能量（J）；

m-包裝總質(zhì)量（kg）；

vmax-下降過程的最大速度（m/s）；

vt-反彈最大速度（m/s）；

Q-其中以熱能形式散發(fā)出的能量（J）。

其中由于嵌入式質(zhì)量和體積較大，考慮到最大沖擊能力最大化作用于機體，此時，令vt=0，Q=0簡化后為：

跌落時，由于棱受到跌落沖擊，彎矩產(chǎn)生的彎曲應力大于材料的屈服極限，從而造成機體的棱變形。

2 跌落損傷力學模型構(gòu)建

基于以上的條件，將受沖擊的包裝棱邊，等效為簡支梁[5-6]，（梁的一端為固定鉸支座，另一端為可動鉸支座），對跌落過程進一步分析，以嵌入式機體底板與外罩相連的作為點設為受力點A和B，其長度設置為L，如圖3、圖4所示。

圖3 整機包裝棱跌落圖示

圖4 機體對應的受力點圖示

設跌落時的棱長度為L，設機體棱跌落瞬間，其中沖擊載荷Fd，沖擊力為P，并引入動載荷系數(shù)kd，則沖擊載荷Fd：

假設為均布載荷，為設其載荷集度為q1：

棱跌落的主要失效形式為外罩棱邊向內(nèi)凹陷變形，主要是因為局部彎曲應力過大所致。根據(jù)圖5等效模型，可得到彎矩為：

圖5 機體棱跌落力學模型

當0≤x≤L時：

改善前，彎矩圖如圖6所示。

圖6 改善前所產(chǎn)生的彎矩圖

令M′(x)=0，可得，即彎矩最大值出現(xiàn)在棱中點處，其最大彎曲應力：

外罩變形原因，即最大彎曲應力大于材料的屈服強度：

M1max為最大彎矩，Iz為橫截面對中性面Z的慣性矩，y為距中性面的最大距離。

以某品牌微蒸烤R5為例，其包裝質(zhì)量m約40 kg，根據(jù)標準，其跌落高度h為46 mm，自由落體后，與地面接觸時間極短，t為0.2 s，且無反彈，機體受力距離L為427 mm，棱邊截面Iz對中性面慣性矩為1.235e3 kg·mm2，中性面距棱底面的距離為21.9 mm，動載荷系數(shù)kd取1.5，求最大彎曲應力σ1max。

由沖量定理可得：

其載荷集度為q1：

最大彎曲應力為σ1max：

外罩采用SPCC材料，其中屈服強度δs約為200 MPa

由于σ1max＞δs，固跌落時，外罩變形。

3 跌落改善分析及驗證

3.1 棱跌落原理分析

為改善棱跌落時，底邊外罩的變形問題，需對棱的彎矩分布進行優(yōu)化，根據(jù)力學原理，通過優(yōu)化泡沫襯墊的支撐結(jié)構(gòu)[7-8]，來改善彎矩分布，從而達到改善彎曲應力的目的，現(xiàn)制定方案如下：將泡沫襯墊底部支撐挖空長度為，兩邊各保留長度，改善前后的整機對比模型如圖7、圖8所示，泡沫改善狀態(tài)如圖9、圖10所示。

圖7 改善前下泡沫的整機模型

圖8 改善后下泡沫的整機模型

圖9 改善前下泡沫狀態(tài)

圖10 改善后泡沫狀態(tài)

改善后的等效力學模型如圖11所示，計算其彎矩分布，所產(chǎn)生彎矩如圖12所示。

圖11 改善后的等效力學模型

圖12 改善后所產(chǎn)生的彎矩圖

則最大彎曲應力：

則兩者的應力比：

由公式（1）可得集中度q1：

同理可得，改善后的集中度q2：

由公式（2），公式（3），公式（4），公式（5）可得：

故改善前后的彎曲應力比為：

改善之前為δ1max=269.6 MPa，改善彎曲應力降為改善前的50%，即=134.8 MPa，小于外罩材料屈服強度δs=200 MPa，故外罩不變形，改善有效。

3.2 改善方案實施效果

圖13 改善前機體跌落外罩變形

圖14 改善后機體跌落外罩未變形

4 結(jié)語

根據(jù)建立的跌落損傷力學模型及跌落實驗驗證，可得如下結(jié)論：

（1）本文將嵌入式棱跌落等效為簡支梁受力，根據(jù)構(gòu)建的跌落損傷力學模型可知，最大彎曲應力處在跌落棱的中點處，通過優(yōu)化包裝襯墊的支撐結(jié)構(gòu)，有效改善了彎矩分布，減小了彎曲應力極值。

（2）根據(jù)構(gòu)建的跌落損傷力學模型，對包裝襯墊的支撐結(jié)構(gòu)做了針對性的優(yōu)化，優(yōu)化后的彎矩分布更合理，且可有效抑制最大彎矩極值，從而減小棱沖擊時的最大彎曲應力。優(yōu)化后的最大彎曲應力可降為優(yōu)化前的50%，即。經(jīng)實驗驗證，使用優(yōu)化后的包裝，機體外罩無變形，改善有效。生產(chǎn)實際導入后，運輸?shù)鋼p傷的降幅高達70%，相關客訴也降低了約50%。

（3）針對大型家電的跌落損傷問題，大多數(shù)學者采用CAE仿真的方法進行包裝優(yōu)化，而本文則通過力學等效的方法，構(gòu)建了跌落損傷力學模型，找到包裝襯墊尺寸與彎曲應力極值的定量關系，較CAE仿真優(yōu)化，該方法具有簡便、經(jīng)濟、可快速實施等特點，對大型家電的包裝設計具有一定的理論指導意義。