王小龍

（華帝股份有限公司 中山 528300）

引言

隨著市場經(jīng)濟環(huán)境和生活水平的不斷提高，蒸烤箱產(chǎn)品已經(jīng)進入千家萬戶[1]。產(chǎn)品從工廠生產(chǎn)出來以后，需要經(jīng)過裝卸、搬運、運輸和貯藏等環(huán)節(jié)。在任何環(huán)境中，產(chǎn)品都會受到外力的作用[2-5]。為達到防止產(chǎn)品遭到破壞的目的，需要設(shè)計相應(yīng)的緩沖包裝來避免產(chǎn)品受到劇烈的沖擊和振動。

為了保護產(chǎn)品不受到損壞，在包裝箱內(nèi)需要布置相應(yīng)的泡沫塑料、蜂窩紙板、瓦楞紙板等緩沖結(jié)構(gòu)。為使緩沖包裝具有最優(yōu)的緩沖保護效果，需要對其在振動和沖擊激勵下的動態(tài)緩沖特性進行深入的分析，以此來進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[6-10]。

跌落實驗是驗證產(chǎn)品包裝可靠性和產(chǎn)品抗沖擊強度的直觀手段，但實驗成本高、實驗周期長，又不能確定產(chǎn)品在實驗中出現(xiàn)的問題是由包裝設(shè)計環(huán)節(jié)引起還是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)引起，往往以整改包裝結(jié)構(gòu)、增加包裝成本方式來解決問題，處于邊整改邊驗證階段；而跌落仿真技術(shù)能夠解決上述問題，在概念設(shè)計階段可為產(chǎn)品強度設(shè)計提供依據(jù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[11-16]。

本文中的蒸烤箱產(chǎn)品在跌落測試中，總是會出現(xiàn)內(nèi)膽搪瓷碎裂的問題。通過跌落試驗無法確定搪瓷碎裂的具體原因，在包裝和結(jié)構(gòu)方面進行多次修改依然無法解決相應(yīng)的問題。最后通過有限元分析，將整個跌落過程可視化后，找到了內(nèi)膽爆瓷的原因。

1 原方案跌落測試

對設(shè)計好的蒸烤箱產(chǎn)品進行1角3棱6面的測試。根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標準采用460 mm的跌落高度。跌落后，發(fā)現(xiàn)蒸烤箱內(nèi)膽爆瓷，爆瓷結(jié)果如圖1所示。

圖1 爆瓷結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，將包裝厚度由原始的35 mm增加至60 mm，包裝成本增加一倍依然出現(xiàn)爆瓷現(xiàn)象。對原始結(jié)構(gòu)內(nèi)膽周圍增加加強支架，測試依然無法通過。針對上述情況，需要通過有限元分析，將跌落過程可視化，分析出內(nèi)膽爆瓷的具體原因，并提出相應(yīng)的解決方案。

2 蒸烤箱跌落模型建立

2.1 幾何模型的建立

通過三維軟件建立蒸烤箱的三維模型，其幾何模型如圖2所示。將文件另存為STP格式，導(dǎo)入有限元軟件中進行網(wǎng)格劃分。

圖2 產(chǎn)品幾何模型

2.2 有限元模型建立

對結(jié)構(gòu)模型進行簡化處理，其中螺釘、開關(guān)、小的塑膠件刪除，對于大的電控主板，顯示器等采用質(zhì)量點進行代替。鈑金件采用抽取中面后，使用四邊形網(wǎng)格來劃分。泡沫及塑膠件采用四面體網(wǎng)格進行劃分，對于玻璃等采用六面體進行網(wǎng)格劃分。對于整機中的的螺釘連接采用剛性單元建立，焊接及膠粘的模擬采用綁定接觸。整體的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 蒸烤箱網(wǎng)格模型

采用六面體單元建立地面和瓦楞紙，接觸采用通用接觸，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.1，對地面節(jié)點采用全約束，其他包裝節(jié)點施加向下的初速度，整體的跌落模型如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品幾何模型

3 爆瓷原因分析

對蒸烤箱進行6面12棱8角的跌落分析，發(fā)現(xiàn)在對蒸烤箱進行棱邊跌落時，爆瓷區(qū)域的應(yīng)力明顯增大，應(yīng)力分布圖如圖5所示。從圖中很明顯的看出爆瓷區(qū)域應(yīng)力高于周圍區(qū)域，爆瓷原因為跌落時應(yīng)力過大，導(dǎo)致該區(qū)域變形較大，從而引起搪瓷碎裂。

圖5 蒸烤箱內(nèi)膽應(yīng)力分布

對爆瓷區(qū)域變形放大后如圖6所示，可以明顯看出圓角處變形很大，跌落時內(nèi)膽前板需要承受很大的沖擊力。由于前板在該區(qū)域還有一個缺口，導(dǎo)致整塊板的剛度變?nèi)酢?/p>

圖6 爆瓷區(qū)域變形放大圖

4 問題改善

針對內(nèi)膽搪瓷碎裂的原因，目前改善問題的方法主要分三個方向：①產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方向，對蒸烤箱結(jié)構(gòu)修改，可以對整塊板進行加厚，也可以對局部區(qū)域進行加強，或者將內(nèi)膽和前板拆開添加緩沖材料；②工藝方向，搪瓷件的表面噴涂工藝要嚴格把控，要求做到表面平整，過渡圓滑，不能有大量銳角、銳邊結(jié)構(gòu)；③包裝方向，增加包裝的材料厚度，減小跌落時產(chǎn)品受到?jīng)_擊力。

4.1 優(yōu)化方案1

對泡沫進行結(jié)構(gòu)修改如圖7所示，在原始方案的基礎(chǔ)上，泡沫厚度增加，中間區(qū)域增加泡沫。

圖7 包裝修改

對內(nèi)膽后端支架進行優(yōu)化，加長原始方案的支架，支架的頂部和上蓋連接，支架的底部和下蓋連接，中間采用焊接方式和內(nèi)膽進行連接。減小跌落時內(nèi)膽給前板的沖擊力，具體的修改方案如圖8所示。

圖8 內(nèi)膽支架修改

對內(nèi)膽前板進行如圖9所示的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將原有的增強支架連起來，增強前板的剛度。

圖9 內(nèi)膽前板修改

通過仿真分析，優(yōu)化方案1爆瓷區(qū)域應(yīng)力有所降低。在實際打樣過程中，發(fā)現(xiàn)圖8和圖9中的支架修改方案在實際制造中難度較大，圖8中支架的大范圍焊接容易造成內(nèi)膽的變形，圖9中的支架在焊接中無法完全貼合前板，采用替換方案后，跌落測試還是會有爆瓷現(xiàn)象出現(xiàn)。

4.2 優(yōu)化方案2

針對優(yōu)化方案1出現(xiàn)的加工困難的問題，對結(jié)構(gòu)修改如圖10所示。將內(nèi)膽和前板進行拆分，中間使用使用橡膠進行密封。內(nèi)膽和前板通過四周的支架進行連接，跌落時內(nèi)膽的沖擊力有效的分散到前板各區(qū)域，同時橡膠起到很好的緩沖作用，避免內(nèi)膽和前板的應(yīng)力過大引起爆瓷。后端支架還是采用原有的方案，整體受沖擊的能力較方案1有所提升。

圖10 工藝修改

通過仿真分析，優(yōu)化方案2爆瓷區(qū)域應(yīng)力低于優(yōu)化方案1。對整個方案進行打樣驗證，結(jié)果可以通過標準跌落測試。

4.3 優(yōu)化方案3

對于優(yōu)化方案2，需要修改的結(jié)構(gòu)較多，模具修改費用過高。針對上述問題，提出優(yōu)化方案3，在不修改蒸烤箱結(jié)構(gòu)的前提下，通過修改包裝來解決搪瓷碎裂的問題。

優(yōu)化方案3的詳細修改方案如圖11所示。在原有包裝的基礎(chǔ)上，增加一圈珍珠棉，通過加大緩沖來降低跌落時內(nèi)膽受到的沖擊力，從而解決內(nèi)膽爆瓷的問題。

圖11 優(yōu)化方案3

通過仿真分析和打樣測試，當(dāng)珍珠棉的厚度增加到100 mm時，該方案能夠通過標準跌落測試。

5 結(jié)論

本文通過對蒸烤箱進行跌落仿真分析，找到了內(nèi)膽碎裂的原因。在此基礎(chǔ)上提出了三種優(yōu)化方案。每個優(yōu)化方案都有相應(yīng)的優(yōu)缺點，必須結(jié)合實際生產(chǎn)情況進行分析。方案一修改成本最少，但是加工難度最大；方案二跌落效果最好，但一次投入的修改成本過高；方案三包裝單次投入少，但隨著銷量的增加，累計成本也很高。通過該案例的分析，在后期蒸烤箱的設(shè)計中，類似這種結(jié)構(gòu)在設(shè)計初期即可通過仿真手段驗證其可行性，避免出現(xiàn)后期改模費用較高的問題。

對比傳統(tǒng)的跌落測試，仿真分析能找出跌落損傷的具體原因，并根據(jù)具體原因提出有效的解決方案。相比較于只有損傷結(jié)果的測試，仿真能復(fù)現(xiàn)整個跌落過程，分析出薄弱點產(chǎn)生的原因，針對性的解決問題。

在廚電行業(yè)的其他產(chǎn)品設(shè)計中，也會遇到類似的問題。本文中所述的方法及案例可以在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中起到很好的參考作用。通過仿真分析，有效的縮短研發(fā)周期，減少打樣成本，避免后續(xù)遇到問題花費時間和成本來解決，具有很好的推廣應(yīng)用價值。