基于ANSYS Workbench對玻璃杯包裝的跌落分析

■ 文/天津科技大學(xué)　付秋瑩

玻璃的制造與使用已經(jīng)有超過五千年的歷史，作為世界上最大的玻璃產(chǎn)品生產(chǎn)國與貿(mào)易國，為具有較大脆性的玻璃產(chǎn)品進行合理的包裝設(shè)計，可大大減少產(chǎn)品在物流運輸途中因沖擊碰撞而發(fā)生的損壞，從而避免玻璃產(chǎn)品失去其使用價值。玻璃產(chǎn)品被公認是世界上在安全的包裝材料之一，日用玻璃產(chǎn)品中，日用及家用各類玻璃器皿等產(chǎn)量占玻璃產(chǎn)品總產(chǎn)量的20%[1]，作為日常盛裝液體的玻璃水杯，而其損壞很大程度是由于跌落碰撞造成的，通過分析其跌落沖擊過程，了解沖擊時物體的結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力變化。跌落碰撞發(fā)生的時間非常短，遠小于0.1s，且跌落的過程復(fù)雜，難以控制，傳統(tǒng)的試驗無法完整的展現(xiàn)跌落碰撞全過程，而計算機模擬仿真的出現(xiàn)很好的解決了這一難題，因此本文通過ANSYS Workbench有限元的方法模擬產(chǎn)品實際運輸流通環(huán)境下模型的跌落過程，通過運算得到全面而精確的評定。

一、有限元分析概述

（一）有限元分析法

有限元分析法（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）的基本思路是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個，且按一定方式相互連接在一起的單元組合體，單元能按不同的聯(lián)系方式進行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以對復(fù)雜的模型進行求解[2]。簡單來說就是將一個系統(tǒng)劃分為有限個相互關(guān)聯(lián)的節(jié)點或單元，對每一部分進行分析并求解，最終得到結(jié)果，將復(fù)雜問題簡單化。

有限元法的基本步驟是對問題分析后進行單元定義與網(wǎng)格劃分，輸入外部載荷及響應(yīng)，通過計算最終求解的過程[2]。目前有限元分析法被廣泛應(yīng)用在大型線性方程組的求解、非線性問題的求解、動力問題的計算等領(lǐng)域，本文運用的是ANSYS Workbench軟件，并在Explicit Dynamics模塊下進行玻璃杯的跌落仿真與分析。

（二） ANSYS Workbench軟件介紹

作為一個大型的計算機輔助分析軟件(Computer Aided Engineering，CAE)，隨著計算機技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，ANSYS在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在ANSYS軟件的分析能力和各項操作完善和發(fā)展的過程中，可以利用它進行工程和結(jié)構(gòu)的安全性能和可靠性能的分析，從仿真中發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)品安全的問題所在，對其優(yōu)化和改進來保證產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)的安全性。在包裝行業(yè)中，通過產(chǎn)品的跌落試驗仿真分析和運輸包裝的隨機振動試驗仿真分析，來證明包裝設(shè)計的可行性。例如吸塵器[3]、洗衣機[4]、筆記本電腦[5]等電器的運輸包裝分析，對易拉罐[6]、啤酒瓶[7]的跌落仿真分析。近年來，ANSYS Workbench憑借其新穎的操作界面和明了的操作思路，深受用戶的好評，它兼容了各大有限元分析軟件的優(yōu)勢，也使其廣泛應(yīng)用在能源、機械、工程力學(xué)、土木工程、電子工程以及航空航天等重要領(lǐng)域。

二、玻璃杯跌落仿真分析

本次實驗的玻璃杯跌落仿真分析選用ANSYS Workbench軟件中的Explicit Dynamics模塊來進行。Explicit Dynamics是Workbench的顯示動力學(xué)分析模塊，它可以充分利用Workbench高效快速的前處理技術(shù)，方便地實現(xiàn)與其他模塊的數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)跌落和沖擊碰撞等顯示動力學(xué)問題[8,9]。

（一）幾何體模型

運用SolidWorks軟件分別建立玻璃杯、上下兩個緩沖襯墊以及模擬地面的長方體模型并裝配成體，玻璃杯與緩沖襯墊尺寸由實際測得，如圖1所示：玻璃杯杯口外直徑為90 mm，杯底外尺寸60mm，高度110mm，杯體厚度1.5mm。緩沖襯墊為100mm×100mm×30mm的長方體，上緩沖襯墊中心設(shè)有外直徑90mm，內(nèi)直徑75mm，深度15mm的環(huán)形杯口卡槽，下緩沖襯墊的圓形卡槽直徑為65mm，深度10mm。將文件保存為“.x_t”格式并導(dǎo)入ANSYS。

圖1　三維幾何模型

（二）材料屬性

在Engineering Date中添加自定義材料，通過Density和Isotropic Elasticity模塊輸入三種材料的性能參數(shù)，如表1所示，其中模擬地面的材料選用結(jié)構(gòu)鋼。

表1　材料參數(shù)性能

（三）劃分網(wǎng)格

在Model中給各模型添加材料屬性。賦予水杯玻璃材料，上下緩沖襯墊賦予EPP材料，地面賦予結(jié)構(gòu)鋼材料。然后進行網(wǎng)格劃分，ANSYS網(wǎng)格劃分工具（Meshing）提供了最常用的網(wǎng)格劃分控制和最常用的網(wǎng)格劃分操作，它包括單元屬性設(shè)置區(qū)域、智能網(wǎng)格劃分控制區(qū)域、單元尺寸控制區(qū)域、網(wǎng)格劃分方法控制區(qū)域和細化單元控制區(qū)域五個區(qū)域組成[8]。劃分的網(wǎng)格越小，計算的精確度就越高，大量的細化單元同時計算會延長結(jié)果的運算時間，因此要合理恰當(dāng)?shù)倪M行網(wǎng)格的劃分。相關(guān)度設(shè)置為0，相關(guān)中心設(shè)置為Coarse，生成網(wǎng)格后有節(jié)點10228個，單元28715個，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格劃分

（四）加載條件

在碰撞過程中，地面被視為沒有位移變化的剛性體，故在地面上添加固定約束。本次模擬跌落采用杯口朝下的方式，產(chǎn)品與地面垂直碰撞，進行面-面接觸，故將地面與緩沖襯墊間的連接方式設(shè)置為無摩擦，除地面外的各部分連接方式設(shè)置為綁定。

模擬運輸包裝件在公路或鐵路中的跌落試驗，產(chǎn)品質(zhì)量小于10Kg，等效跌落高度為800mm[10]，將產(chǎn)品看做自由落體式跌落，即設(shè)置產(chǎn)品和緩沖襯墊的初速度為3.96m/s。設(shè)置最大循環(huán)速度為10000次，分析時間為0.1s。

（五）結(jié)果后處理

對玻璃杯跌落后的等效應(yīng)力和總變形進行求解。得到玻璃杯的應(yīng)力云圖如圖3所示，玻璃杯的最大變形云圖如圖4所示。

圖3　最大變形云圖

圖4　等效應(yīng)力云圖

三、玻璃杯跌落實驗

以玻璃杯及其上下緩沖襯墊為試驗材料，跌落高度為0.3m，杯口朝下跌落至混凝土地面，通過傳感器獲取玻璃杯跌落信息，得到跌落時間與加速度的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5　加速度-時間曲線

通過跌落實驗獲得的加速度-時間的關(guān)系曲線中，粉色、藍色、綠色分別代表X軸、Y軸和Z軸的加速度。由于產(chǎn)品跌落過程復(fù)雜，產(chǎn)品跌落至地面時難以實現(xiàn)理想化的平跌落，因此會在三個方向上都產(chǎn)生加速度。試驗中的產(chǎn)品需要經(jīng)過漫長的包裝設(shè)計周期，另外，進行破壞性測試時所需樣品個數(shù)較多，對測試儀器也有較高的要求，會產(chǎn)生較高的研發(fā)成本。因此通過試驗獲得數(shù)據(jù)進行包裝設(shè)計具有一定的局限性。

四、結(jié)語

利用ANSYS Workbench模擬產(chǎn)品在各種情況下的跌落實驗。通過對玻璃杯包裝的跌落仿真，得到其跌落仿真的應(yīng)力云圖，在應(yīng)力云圖的指導(dǎo)改進包裝結(jié)構(gòu)，得到抗沖擊性能更強、緩沖效果更好的包裝。在包裝的開發(fā)設(shè)計中，對產(chǎn)品進行三維建模并利用ANSYS Workbench進行模擬仿真，可獲取有力數(shù)據(jù)，避免試驗中產(chǎn)品的損傷與破壞，縮短設(shè)計周期，降低研發(fā)成本。本文提供了一個產(chǎn)品碰撞仿真分析的思路，為易碎品的包裝設(shè)計提供一個參考，具有一定的實際意義。