基于有限元仿真的游戲機(jī)運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)

尹 暢 王劍菲

(1、哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院包裝工程專業(yè),黑龍江 哈爾濱150028 2、哈爾濱商業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150028)

1 概述

隨著電子行業(yè)的發(fā)展, 小型電子設(shè)備越來越受到年輕人的追捧,掌上游戲機(jī)越來越受歡迎。然而,很多電子產(chǎn)品在緩沖運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)上有著很高的要求[1-2]。家電和電子產(chǎn)品在裝卸、運(yùn)輸和搬運(yùn)過程中, 不可避免的會(huì)受到振動(dòng)和沖擊等各種流通環(huán)境因素的影響致使產(chǎn)品損壞。為了防止家電和電子產(chǎn)品在運(yùn)輸、裝卸和搬運(yùn)過程中發(fā)生損壞, 必須對家電產(chǎn)品進(jìn)行緩沖運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì),從而減少產(chǎn)品運(yùn)輸造成的損失。

目前電子產(chǎn)品的緩沖及運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì), 主要采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)后再對包裝件進(jìn)行跌落試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,存在試驗(yàn)成本高、對產(chǎn)品的破環(huán)性強(qiáng)、設(shè)計(jì)周期長、過度包裝等問題[3-4]。本文根據(jù)游戲機(jī)產(chǎn)品的物性及流通環(huán)境分析,首先通過緩沖動(dòng)力學(xué)計(jì)算,設(shè)計(jì)緩沖襯墊的結(jié)構(gòu),然后采用有限元跌落仿真分析,驗(yàn)證包裝結(jié)構(gòu)的緩沖防護(hù)性能,既可縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)省試驗(yàn)成本、避免產(chǎn)品的試驗(yàn)破壞,又方便對產(chǎn)品包裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),避免產(chǎn)品過度包裝。

2 包裝件三維建模

游戲機(jī)包裝件由游戲機(jī)產(chǎn)品、緩沖襯墊、中包裝盒、運(yùn)輸包裝箱組成。緩沖襯墊包括中襯墊、右側(cè)襯墊和左側(cè)襯墊組成,緩沖襯墊材料選用EPE。包裝盒材料選用ABS 塑料, 利用三維模型軟件Solidworks 完成的緩沖襯墊及包裝盒三維模型見圖1。運(yùn)輸包裝箱由0201 箱和隔板組成,材料采用三層瓦楞紙板,其三維模型見圖2。

圖1 緩沖襯墊與包裝盒三維模型

圖2 運(yùn)輸包裝箱三維模型

3 包裝件有限元仿真分析

3.1 包裝件跌落仿真分析

在進(jìn)行仿真分析前,需要建好有限元模型,然后將模型導(dǎo)入SOLIDWOKS 中的Simulation,導(dǎo)入后續(xù)步驟如下:

3.1.1 跌落仿真參數(shù)設(shè)置

在設(shè)置選項(xiàng)中可以自定義設(shè)定跌落高度、跌落重心點(diǎn)、目標(biāo)引力及方向、接觸阻尼等(如圖3)。

圖3 跌落測試設(shè)置

3.1.2 網(wǎng)格劃分

選擇生成網(wǎng)格實(shí)體并設(shè)定網(wǎng)格密度以及網(wǎng)格參數(shù), 選擇沖擊后求解時(shí)間,見圖4。

圖4 緩沖包裝網(wǎng)格劃分

3.1.3 跌落仿真結(jié)果與分析

為模擬游戲機(jī)在運(yùn)輸中的碰撞沖擊過程, 進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真跌落測試,分別以角跌落、棱跌落、面跌落的方式進(jìn)行跌落分析。從人體工學(xué)角度來講,選擇500mm 的跌落高度;而游戲機(jī)在組裝時(shí)的工作臺的高度為1000mm, 為考慮此高度的跌落情況,對1000mm 的跌落高度也進(jìn)行分析。

圖5 和圖6 為包裝件在不同高度下的面跌落仿真結(jié)果。從圖5 可知,500mm 跌落時(shí)所受最大應(yīng)力為1.926 pa,ABS 包裝盒的屈服強(qiáng)度為50Mpa,EPE 緩沖襯墊的屈服強(qiáng)度為78Mpa[5-6],而游戲機(jī)的屈服強(qiáng)度為300Mpa,跌落所受最大應(yīng)力均小于各材料的屈服強(qiáng)度,所以在500mm 面跌落是包裝件和游戲機(jī)都是安全的。

圖5 500mm 面跌落測試應(yīng)力云圖

圖6 1000mm 面跌落測試應(yīng)力云圖

從圖6 可知, 跌落時(shí)所受最大應(yīng)力為2.586pa, 同理在1000mm 面跌落是包裝件和游戲機(jī)都是安全的。

圖7、圖8 是包裝件在不同高度下棱跌落的仿真結(jié)果。從圖7 知,500mm 高度棱跌落所受的最大應(yīng)力為3.719pa, 在500mm棱跌落是包裝件和游戲機(jī)都是安全的。

圖7 500mm 棱跌落測試應(yīng)力云圖

圖8 1000mm 棱跌落測試應(yīng)力云圖

從圖8 知,1000mm 高度棱跌落所受的最大應(yīng)力為5.784 pa,超過了ABS 包裝盒的屈服強(qiáng)度的50Mpa,但從應(yīng)力云圖中可知,ABS 包裝盒只有在棱處會(huì)有輕微的劃痕或破損,ABS 包裝盒不會(huì)造成太大的損壞, 跌落所受最大應(yīng)力均小于EPE 緩沖襯墊和游戲機(jī)的屈服強(qiáng)度,所以在1000mm 棱跌落游戲機(jī)是安全的。圖9、圖10 是包裝件在不同高度下角跌落的仿真結(jié)果。從圖9 知,500mm 高度角跌落所受的最大應(yīng)力為1.184 pa, 同理在500mm角跌落游戲機(jī)是安全的。

圖9 500mm 角跌落測試應(yīng)力云圖

圖10 1000mm 角跌落測試應(yīng)力云圖

從圖10 知,1000mm 高度角跌落所受的最大應(yīng)力為1.810 pa,同理在1000mm 角跌落游戲機(jī)是安全的。

圖11 所示為包裝件在跌落過程中易損點(diǎn)的加速度變化曲線, 從跌落實(shí)驗(yàn)中可知在Y 方向的加速度曲線在整個(gè)跌落過程中所受到的沖擊最大。

加速度響應(yīng)最大值一旦超過產(chǎn)品脆值,產(chǎn)品就容易破損。由圖11 可知,最大約為83g,小于游戲機(jī)的90g,因此該緩沖襯墊設(shè)計(jì)合理。

圖11 游戲機(jī)包裝件跌落過程加速度曲線

3.2 包裝件靜壓仿真分析

3.2.1 選取受力面,可以添加載荷、扭矩等,也可以設(shè)定力的方向,見圖12。

圖12 載荷設(shè)置

3.2.2 生成網(wǎng)格

選擇生成網(wǎng)格實(shí)體并設(shè)定網(wǎng)格密度以及網(wǎng)格參數(shù),見圖13。

圖13 網(wǎng)格生成設(shè)置

3.2.3 靜壓仿真結(jié)果分析

根據(jù)所算載荷4810.63N 施加靜壓力于開口箱面, 用夾具夾持底面。靜壓仿真測試結(jié)果見圖14。

圖14 靜雅應(yīng)變云圖

從圖14 可知,紙箱被壓最大形變量為1.05 mm,最小形變量僅為1.0 mm,這樣的變形量對于524mm×279mm×299mm 的紙箱來說幾乎可以忽略不計(jì);紙箱的屈服強(qiáng)度為100Mpa,而紙箱受到的最大壓強(qiáng)僅為758600pa,完全滿足強(qiáng)度要求;因此,該瓦楞紙箱設(shè)計(jì)合理,滿足包裝件堆碼強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

通過對國內(nèi)外電子產(chǎn)品包裝現(xiàn)狀分析以及包裝發(fā)展趨勢為主要指導(dǎo),本文設(shè)計(jì)出符合實(shí)際要求的游戲機(jī)的運(yùn)輸包裝結(jié)構(gòu),綜合考慮了電子產(chǎn)品包裝的設(shè)計(jì)原則,對游戲機(jī)的物性,流通環(huán)境,防護(hù)要求以及包裝材料進(jìn)行了全面的分析,對于電子產(chǎn)品的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)有著一定的參考意義。