基于有限元仿真的游戲機運輸包裝設計

尹 暢 王劍菲

(1、哈爾濱商業大學輕工學院包裝工程專業,黑龍江 哈爾濱150028 2、哈爾濱商業大學設計藝術學院,黑龍江 哈爾濱150028)

1 概述

隨著電子行業的發展, 小型電子設備越來越受到年輕人的追捧,掌上游戲機越來越受歡迎。然而,很多電子產品在緩沖運輸包裝設計上有著很高的要求[1-2]。家電和電子產品在裝卸、運輸和搬運過程中, 不可避免的會受到振動和沖擊等各種流通環境因素的影響致使產品損壞。為了防止家電和電子產品在運輸、裝卸和搬運過程中發生損壞, 必須對家電產品進行緩沖運輸包裝設計,從而減少產品運輸造成的損失。

目前電子產品的緩沖及運輸包裝設計, 主要采用經驗設計后再對包裝件進行跌落試驗進行驗證,存在試驗成本高、對產品的破環性強、設計周期長、過度包裝等問題[3-4]。本文根據游戲機產品的物性及流通環境分析,首先通過緩沖動力學計算,設計緩沖襯墊的結構,然后采用有限元跌落仿真分析,驗證包裝結構的緩沖防護性能,既可縮短設計周期、節省試驗成本、避免產品的試驗破壞,又方便對產品包裝進行優化設計,避免產品過度包裝。

2 包裝件三維建模

游戲機包裝件由游戲機產品、緩沖襯墊、中包裝盒、運輸包裝箱組成。緩沖襯墊包括中襯墊、右側襯墊和左側襯墊組成,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

在進行仿真分析前,需要建好有限元模型,然后將模型導入SOLIDWOKS 中的Simulation,導入后續步驟如下:

3.1.1 跌落仿真參數設置

在設置選項中可以自定義設定跌落高度、跌落重心點、目標引力及方向、接觸阻尼等(如圖3)。

圖3 跌落測試設置

3.1.2 網格劃分

選擇生成網格實體并設定網格密度以及網格參數, 選擇沖擊后求解時間,見圖4。

圖4 緩沖包裝網格劃分

3.1.3 跌落仿真結果與分析

為模擬游戲機在運輸中的碰撞沖擊過程, 進行計算機仿真跌落測試,分別以角跌落、棱跌落、面跌落的方式進行跌落分析。從人體工學角度來講,選擇500mm 的跌落高度;而游戲機在組裝時的工作臺的高度為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果。從圖5 可知,500mm 跌落時所受最大應力為1.926 pa,ABS 包裝盒的屈服強度為50Mpa,EPE 緩沖襯墊的屈服強度為78Mpa[5-6],而游戲機的屈服強度為300Mpa,跌落所受最大應力均小于各材料的屈服強度,所以在500mm 面跌落是包裝件和游戲機都是安全的。

圖5 500mm 面跌落測試應力云圖

圖6 1000mm 面跌落測試應力云圖

從圖6 可知, 跌落時所受最大應力為2.586pa, 同理在1000mm 面跌落是包裝件和游戲機都是安全的。

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

圖7 500mm 棱跌落測試應力云圖

圖8 1000mm 棱跌落測試應力云圖

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

圖9 500mm 角跌落測試應力云圖

圖10 1000mm 角跌落測試應力云圖

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

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

加速度響應最大值一旦超過產品脆值,產品就容易破損。由圖11 可知,最大約為83g,小于游戲機的90g,因此該緩沖襯墊設計合理。

圖11 游戲機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,也可以設定力的方向,見圖12。

圖12 載荷設置

3.2.2 生成網格

選擇生成網格實體并設定網格密度以及網格參數,見圖13。

圖13 網格生成設置

3.2.3 靜壓仿真結果分析

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

圖14 靜雅應變云圖

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;紙箱的屈服強度為100Mpa,而紙箱受到的最大壓強僅為758600pa,完全滿足強度要求;因此,該瓦楞紙箱設計合理,滿足包裝件堆碼強度要求。

4 結論

通過對國內外電子產品包裝現狀分析以及包裝發展趨勢為主要指導,本文設計出符合實際要求的游戲機的運輸包裝結構,綜合考慮了電子產品包裝的設計原則,對游戲機的物性,流通環境,防護要求以及包裝材料進行了全面的分析,對于電子產品的運輸包裝設計有著一定的參考意義。