空氣凈化器緩沖包裝跌落仿真分析及優化

常 江，孫鵬達

（哈爾濱商業大學，哈爾濱 150028）

0 引言

2020年初，“新型冠狀病毒肺炎”的爆發更加促使了空氣凈化器類產品需求量的激增?？諝鈨艋饕约翱諝鈨艋桨冈诟鞔竺襟w平臺引來了極大的關注度，A.O.史密斯、萊克、海爾、美的、格力等品牌向武漢火神山醫院、雷神山醫院、方艙醫院捐贈多批空氣凈化器，新風系統空氣凈化器和新風設備在許多醫院里已經投入使用。疫情期間，在商家與各大銷售平臺的不斷宣傳下，空氣凈化器和新風系統的話題逐漸成為各個社交平臺的熱搜內容，使得本就受到大眾青睞的空氣凈化行業更加“熱鬧”起來［1-4］?？諝鈨艋髯鳛槌Ｒ姷闹行⌒椭悄茈娖?，由馬達、風扇、智能監控系統、負離子發生器與高壓電路等多個精密系統所構成，在運輸中易發生磕碰損壞的情況，這就對空氣凈化器的包裝防護提出極高的要求。目前常見的空氣凈化器的緩沖包裝主要以聚苯乙烯泡沫與聚乙烯泡沫材料為主。聚苯乙烯作為緩沖材料具有機械強度好，緩沖性能優異等優點，同時加工性好，易于模塑成型，價格低廉，極大地壓縮了生產成本［5-7］。但由于發泡聚苯乙烯難以回收利用，隨意丟棄易產生白色污染，并隨著空氣凈化器需求量的激增，短時間內會造成大量的資源浪費。在綠色包裝理念的支撐下，運用環保材料以及創新結構設計新形式的緩沖襯墊，在滿足基本防護要求的前提下，對環境友好無污染且降低包裝成本，已經成為了急待解決的問題［8-10］。

1 空氣凈化器產品特性

1.1 產品的技術參數

設計選用研究對象為華為智選空氣凈化器，其具體參數和外觀圖如表1和圖1所示。

表1 空氣凈化器設計參數Tab.1 Design parameters of air purifier

圖1 空氣凈化器產品外觀圖Fig.1 Appearance of air purifier

1.2 產品易損部件分析

華為智選720全效空氣凈化器主要由底座、風道系統、支撐外殼、風扇、智能監控系統、負離子發生器、濾芯與電機所構成。其中智能監控系統與電機為空氣凈化器的核心零件。在運輸過程中，如果受到較大程度的沖擊或震動，容易造成電機與智能監控系統的異常，從而造成空氣凈化器的損壞或失效［11］。在運輸包裝的設計中，運輸包裝行業通常是把設計經驗值作為原型包裝設計的參考，根據文獻結果，確定空氣凈化器的脆值Gm=80 g。

2 空氣凈化器的緩沖包裝設計

2.1 空氣凈化器緩沖襯墊的用量計算

2.1.1 承載面積計算

緩沖襯墊材料選用瓦楞紙板，根據資料查AB型瓦楞紙板緩沖系數-應力曲線得材料的緩沖系數：σm=1.75×105Pa時，緩沖系數最小為C=1.5，承受跌落的承載面積A：

式中A——緩沖襯墊的負載面積，m2；

W——被包裝產品的質量，kg；

Gm——產品所承受的最大加速度值，g；

σm——緩沖材料的最大應力，Pa。

代入式（1）可得

通過產品的結構分析，產品本身受力面積大于襯墊面積，所以決定采用局部緩沖結構，節約緩沖材料。

2.1.2 緩沖襯墊的蠕變量校核

緩沖材料選用了AB雙層瓦楞紙板，故襯墊厚度為T=6 mm。

蠕變量校核的計算公式：

式中TC——緩沖襯墊修正后的厚度，m；

Cr——蠕變系數，%；

T——緩沖襯墊修正前的厚度，m。

本設計Cr=10%，T=6 mm，代入式（2）可得：

TC=0.006×（1+10%）=0.006 6 m

2.1.3 緩沖襯墊結構的設計計算

根據內裝產品尺寸L1×B1×H1=260×260×520 mm，緩沖距離：σL=55 mm，σB=55 mm，σH=28 mm，可以得到緩沖襯墊的基本尺寸：

L=L1+2T+2σL=382 mm

B=B1+2T+2σB=382 mm

H=2T+2σH=40 mm

2.1.4 緩沖襯墊的撓度校核

緩沖襯墊設計后，需要進行基本的經驗公式計算，確定設計的襯墊的基本尺寸是否滿足基本安全程度。通常要進行撓度校核來測試襯墊是否滿足基本要求。

穩定性校核的公式：

式中Amin——求得的緩沖襯墊承載面積，m2；

T——求得的緩沖襯墊的厚度，m。

由前面的計算結果可知，緩沖襯墊的厚度經蠕變校核后為0.006 6 m，代入式（3）可得：

因此，緩沖襯墊設計穩定，符合設計要求。

考量生產實際中可批量化生產，采用瓦楞紙板一頁成型為基本思路設計。采用4個角折疊成三角形柱的結構作為支撐，起到緩沖及固定的作用。4個三角形立柱通過開槽插合與下襯墊進行固定，且插入處也起到固定支撐的作用。通過4個角的三角形空心立柱起到襯墊的緩沖效果，同時三角形的結構更具有穩定性，起到支撐的作用。底面與上面采用正方形的設計，預留出緩沖的距離，同時4個開槽的插入也確保了襯墊的穩定性。

2.1.5 緩沖襯墊的結構圖

緩沖襯墊選用AB型瓦楞紙板一頁成型結構，根據空氣凈化器的規格對緩沖襯墊的尺寸進行設計，用繪圖軟件繪制緩沖襯墊的平面圖，緩沖襯墊的平面展開如圖2所示。

圖2 空氣凈化器緩沖襯墊平面展開圖Fig.2 Expanded plan of cushion pad of air purifier

將襯墊的底板折疊90°并通過開槽插入固定形成底板。再將4個角的瓦楞紙板通過90°、45°、90°折疊形成三角形結構，并立起來折疊90°插入到底面的開槽中固定。

2.2 空氣凈化器緩沖包裝的實體模型

根據前期計算確定的緩沖襯墊的設計方案，在solidworks軟件中建立三維立體模型，包括上下襯墊、內裝產品及瓦楞紙箱等，所得效果如圖3所示。

圖3 運輸單元的立體效果圖Fig.3 Three-dimensional rendering of conveying unit

3 空氣凈化器緩沖運輸包裝跌落仿真分析

3.1 定義有限元模型材料屬性

基于前面的設計計算，襯墊的緩沖材料以及外包裝箱均為AB雙層瓦楞紙板，而通過查閱資料可知空氣凈化器的主體材料為ABS，定義材料屬性如表2所示［12］。

表2 緩沖包裝單元各部分材料屬性Tab.2 Material properties of each part of cushioning packaging unit

3.2 跌落仿真分析初始值計算

為模擬實際運輸情況，選擇對包裝件進行動態仿真分析，分別對空氣凈化器的運輸包裝進行面、棱和角3種不同方式在跌落高度H=60 cm進行跌落。通過對比極限應力與最大加速度的值來判定所設計的包裝件是否合理，能否在運輸的過程中吸收能量，起到良好的緩震效果［13］。

為了簡化和縮短跌落過程，可以先設定初始位置為H'=0.005 m，根據計算公式，得到包裝件在開始跌落瞬間會獲得一定的初速度［13-14］，該初速度：

根據H''=V0t+1/2gt2，求得時間間隔t=0.001 6 s。

3.3 跌落仿真結果分析

對緩沖包裝進行60cm的面、棱、角跌落仿真分析，分別得到3種跌落方式的應力云圖以及加速度曲線。

3.3.1 面跌落仿真結果分析

根據所建立的運輸單元模型和網格劃分結果，在60 cm的跌落高度對緩沖單元進行面跌落的仿真分析，得到緩沖襯墊的應力云圖和最大加速度曲線，分別如圖4和圖5所示。

圖4 緩沖襯墊面跌落應力云圖Fig.4 Nephogram of drop stress on cushion pad surface

圖5 緩沖襯墊面跌落加速度曲線Fig.5 Drop acceleration curve of cushion pad surface

由圖4可以看到，應力集中在襯墊與空氣凈化器的接觸面以及襯墊的固定插入開槽處，外瓦楞紙箱的應力集中在瓦楞紙箱底部以及4個角落處，最大應力出現在與跌落棱最相近的下襯墊的固定開槽處。在跌落過程中緩沖襯墊的最大應力為2.033 MPa，未超過AB雙層瓦楞紙板的最大應力 2.38 MPa［15-16］。

由圖5可以看出，跌落緩沖過程中，運輸單元與地面接觸瞬間獲得的最大加速度約為56.01 g，此加速度小于內裝物空氣凈化器的脆值80 g，因此，在60 cm處進行面跌落時，運輸單元對空氣凈化器起到了較好的緩沖作用。

3.3.2 棱跌落仿真結果分析

根據所建立的運輸單元模型和網格劃分結果，在60 cm的跌落高度對緩沖單元進行了棱跌落的仿真分析，得到了緩沖襯墊的應力云圖和最大加速度曲線，分別如圖6和圖7所示。

圖6 緩沖襯墊棱跌落應力云圖Fig.6 Nephogram of drop stress of cushion pad edge

圖7 緩沖襯墊棱跌落加速度曲線Fig.7 Drop acceleration curve of cushion pad edge

由圖6可知，在60 cm高度進行棱跌落時，應力集中在瓦楞紙箱以及襯墊的棱角處，最大應力出現在與跌落棱最相近的下襯墊的固定開槽處。在跌落過程中緩沖襯墊的最大應力為3.882 MPa，超過瓦楞紙板的極限應力2.38 MPa，即在跌落的過程中緩沖襯墊有輕微破損。

由圖7可以看出，在棱跌落過程中，緩沖包裝件與地面接觸瞬間最大加速度約為15.3 g，小于內裝物空氣凈化器的脆值80 g，可以對內裝空氣凈化器起到保護作用［17-18］。

3.3.3 角跌落仿真結果分析

根據所建立的運輸單元模型和網格劃分結果，在60 cm的跌落高度對緩沖單元進行了角跌落的仿真分析，得到了緩沖襯墊的應力云圖和最大加速度曲線，分別如圖8和圖9所示。

圖8 緩沖襯墊角跌落應力云圖Fig.8 Nephogram of cushion pad corner drop stress

圖9 緩沖襯墊角跌落加速度曲線Fig.9 Drop acceleration curve of cushion pad corner

根據圖8可知，在60 cm高度進行角跌落時，應力集中在瓦楞紙箱以及襯墊的跌落角處。在跌落過程中緩沖襯墊的最大應力為4.847 MPa，超過AB雙層瓦楞紙板的極限應力2.38 MPa，說明襯墊在60 cm處進行角跌落發生失效。

由圖9可知，與地面接觸瞬間最大加速度約為27.4 g，小于內裝物空氣凈化器的脆值80 g。

綜上所述，設計的緩沖襯墊在60 cm進行面跌落時，緩沖襯墊的最大應力為2.033 MPa，低于紙板的極限應力2.38 MPa，而在進行角跌落和棱跌落時，其最大應力分別為4.847 MPa和3.822 MPa，超過了瓦楞紙板的極限應力，故在60 cm跌落處緩沖襯墊出現了輕微破損。但由于3種跌落方式產生的最大加速度分別為56.0 g、27.4 g和15.3 g，均小于產品的脆值80 g，因此，內裝物在跌落過程中未發生破損，緩沖襯墊仍具有一定的保護作用。為了消除緩沖襯墊在跌落過程中發生的破損，需要對所設計的緩沖襯墊結構進一步優化。

3.4 緩沖襯墊結構優化

針對60 cm的棱跌落和角跌落出現的最大應力高于緩沖材料的極限應力，對所設計的緩沖襯墊結構提出改進方案，使其更具有合理性。

（1）增大緩沖距離。適當地增大4個角以及上下底面的緩沖距離，增大空氣凈化器與緩沖襯墊的接觸面積，從而分散所受到的應力。

（2）對結構增加支撐。對于靜態分析和面、棱、角跌落的應力主要集中在4個固定的插入支撐處的情況，考慮對結構增加額外的支撐，對底面進行裁切使其窩折到與另一底面接觸，增加接觸面積，使結構更加穩定。

除4個角的插合處固定之外，為防止其變形，在4個角落處的空心圓柱內再添加一個支撐結構，提高其穩定性。具體改進結果如圖10所示。

圖10 緩沖包裝襯墊優化結構效果圖Fig.10 Effect diagram of cushion packaging liner optimization structure

4 結語

針對目前市面上所售的空氣凈化器，在基于“綠色包裝”理念的基礎上，采用瓦楞紙板進行一頁成型的結構，設計成緩沖襯墊，并在60 cm的高度下進行面、棱、角的動態跌落分析。仿真結果表明，在60 cm進行角跌落和棱跌落時，緩沖襯墊的最大應力超過了瓦楞紙板的極限應力，緩沖襯墊出現輕微破損，但在跌落過程中產生的最大加速度小于產品的脆值，因此，緩沖襯墊對內裝物起到一定的保護作用。針對跌落過程中出現的問題，對襯墊提出進一步的結構改進方案，提高襯墊的強度，使其在更高的環境下跌落也可實現對產品的防護，更進一步地提高實際生產中的可行性，減少包裝材料的使用量，降低成本，提高緩沖包裝的生產效率，為空氣凈化器緩沖包裝的可持續生產和穩定的流通過程提供技術支持。