基于ANSYS Workbench的LED電視包裝件優化設計

Kanokporn WONG-ON

摘? 要：將有限元分析（FEA）應用于LED電視包裝件的隨機振動仿真和多目標優化設計。利用有限元分析軟件ANSYS Workbench建立LED電視包裝件模型，設置材料參數，進行靜態結構分析，然后利用EPE代替EPS緩沖材料，對LED電視包裝件進行優化設計，并對比優化前后LED電視包裝件的緩沖墊質量和總變形等參數。研究表明：優化后的包裝件在有效保護產品的前提下，其襯墊和包裝箱材料分別減少了37.71%和4.7%，達到了減量化設計的目的。

關鍵詞：LED電視包裝件;隨機振動;有限元分析;優化設計

0? ? 引言

隨著家電消費的不斷增加，產品包裝扮演的角色越來越重要。家電包裝件包括產品、緩沖襯墊和瓦楞紙箱，為驗證緩沖包裝的可靠性，一般需要進行運輸包裝試驗，但試驗過程是破壞性的，對產品的損傷很大。而使用有限元分析，則可有效避免這一情況，且方便修改設計和分析參數，以獲得包裝成本盡可能小、包裝效果盡可能好的緩沖包裝設計。

本文采用ANSYS Workbench進行LED電視的靜態結構仿真分析和緩沖結構優化設計，獲得了用EPE泡沫代替EPS泡沫的新的緩沖包裝設計結果，并對比分析了原包裝與優化包裝之間的測試結果。

1? ? LED電視包裝有限元分析基礎

1.1? ? 模型建立

所使用的樣品是SAST LED電視機，型號為LY315-DH01，規格為730 mm×76 mm×435 mm，外包裝為瓦楞紙箱，尺寸為781 mm×135 mm×500 mm。緩沖襯墊材料是EPS泡沫，以角包裝形式保護電視免受損傷，并用蜂窩紙板保護電視屏幕。利用建模軟件SolidWorks創建LED電視包裝件模型，包括LED電視、瓦楞紙箱、EPS泡沫、蜂窩紙板四部分。

1.2? ? 參數設置

選用Hex-dominant作為網格元件，對LED電視包裝件模型進行網格劃分，如圖1所示，其節點數為1 694 246，單元數為438 430。選用Boned和Frictional兩種接觸，Boned接觸指電視本體和部件之間的接觸，而Frictional接觸指電視、包裝盒和緩沖材料之間的接觸，材料表面的摩擦系數設為0.12。

建模時需要指定材料屬性，如表1所示，以使模型最接近實際產品結構。

2? ? 新型LED電視包裝設計優化

2.1? ? 優化模型

新設計應減少緩沖材料的數量，以減輕包裝的重量，同時保證有效性，以防止產品損壞。本文用EPE泡沫代替EPS泡沫設計了新的緩沖包裝結構，如圖2所示，選取襯墊重量、總變形、第一自然頻率作為目標函數，控制參數范圍如表2所示。

2.2? ? 優化結果

本文設計了6種不同尺寸的EPE泡沫襯墊，優化結果如表3所示。H1對第一自然頻率（P5）的敏感性最高，影響最大，呈正相關關系;對于緩沖墊質量（P6）和總變形（P4）敏感性略低，但總變形呈負相關?；谝陨弦蛩氐姆治?，優化結果主要通過改變H1的長度和調整H2的高度來實現。

基于上述原因，選擇OP1作為新的緩沖設計。優化結果與原包裝對比如表4所示。優化后系統性能有了明顯的提高，緩沖墊質量、箱體尺寸、最大變形均顯著降低，達到了輕量化包裝的目的。

3? ? 原包裝與新包裝有限元分析結果對比

優化后的包裝與原始包裝靜態結構仿真分析如圖3所示。結果表明，優化后的包裝瓦楞紙箱總變形從2.226 mm減少到1.558 mm，減少30%;等效應力從37.6 MPa降到37.375 MPa，減少0.6%?？梢姡珽PE作為緩沖材料的性能優于EPS，達到了輕量化包裝的目的。

4? ? 結語

本文將FEA應用于電視包裝件的靜態結構仿真分析和緩沖結構優化設計，新的優化設計不僅減小了電視包裝的尺寸，還減少了在運輸過程中造成的損壞，降低了物流成本。使用FEA能準確預測產品損壞的位置，減少試錯過程和試驗損耗，為緩沖包裝結構設計提供指導。

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：Kanokporn WONG-ON（王佳穎）（1993—），女，泰國人，碩士研究生在讀，研究方向：包裝動力學。