蘋果包裝件有限元分析及優(yōu)化設(shè)計

李寒東

蘋果在儲運過程中容易發(fā)生跌落和碰撞，從而可能造成質(zhì)量下降，特別是在蘋果成熟旺季，在長途運輸中，蘋果包裝件的跌落和相互碰撞現(xiàn)象往往無法避免，這就要求蘋果包裝具備足夠的抗沖擊能力，以在運輸過程中最大限度地避免蘋果發(fā)生損壞。本文中，筆者利用ANSYS Workbench平臺，首先建立普通的蘋果運輸包裝模型，仿真蘋果包裝件自然狀態(tài)下垂直跌落，得到蘋果包裝件跌落時所受到的應(yīng)力以及應(yīng)變情況，并分析評估蘋果的受損情況；然后，針對蘋果包裝件的形變數(shù)據(jù)，對其進行優(yōu)化設(shè)計；之后，再次對優(yōu)化設(shè)計的蘋果包裝件進行跌落仿真實驗，將得到的跌落應(yīng)力以及應(yīng)變數(shù)據(jù)與常見包裝件進行對比；最后，通過優(yōu)化模塊，對改進的蘋果包裝件厚度進行優(yōu)化處理分析，分析蘋果跌落時受到最大應(yīng)力和最大應(yīng)變時最小的包裝厚度方案，從而得到最優(yōu)設(shè)計的蘋果包裝件方案。

顯示動力分析理論

蘋果包裝件跌落是在一個極短的時間內(nèi)，在動態(tài)碰撞沖擊載荷下發(fā)生一系列復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程，在整個跌落過程中同時存在幾何非線性、材料非線性以及接觸非線性過程。對于蘋果包裝件的整體跌落過程進行模擬，一般采用顯示積分算法。碰撞方程式如下：

[M]{a}+[C]{v}+[K]{s}={Fex}

其中，[M]表示總體質(zhì)量矩陣，[C]表示總體阻尼矩陣，[K]表示總體剛度矩陣；{a}表示加速度向量，{v}表示速度向量，{s}表示位移向量，{Fex}表示碰撞的外力向量。其中總體質(zhì)量矩陣[M]由密度來決定，總體剛度矩陣[K]由結(jié)構(gòu)的材料屬性和單元的幾何性質(zhì)決定，通過定義材料的彈性模量、泊松比和密度特性得到總體剛度矩陣和總體質(zhì)量矩陣。……