智能物流環境監測儀包裝設計及跌落仿真

李燕華，鄭永發，黎珍，王領，孫百會

（1.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海 519000；2.廣東省制冷設備節能環保技術企業重點實驗室，珠海 519000）

引言

產品從出貨到消費者手中，需要經歷運輸、中轉、裝卸、倉儲等環節，其中可能遭遇振動、沖擊、跌落等危害繼而造成損壞[1]。定量了解產品實際物流環境是制定合理測試標準和設計恰當包裝的關鍵。為此，眾多研究者[2-10]利用物流環境監測設備對不同運輸方式和不同貨物的物流運輸環境進行大量測試和研究，識別、再現了貨物狀態、破壞機制，典型的元數據也歸納到了相關標準中。

基于MEMS傳感器和物聯網等技術，對MEMS三軸加速度傳感器、溫濕度傳感器與中央處理器、定位、4G數據發送/接收模塊、存儲模塊和電池等進行系統集成，開發了一款高性能、低成本的智能物流環境監測設備，能夠實現在線監測、跟蹤、記錄貨物物流運輸全流程中遭遇的振動、沖擊、跌落、溫濕度等危害環境數據的功能。智能物流環境監測儀是高精密儀器產品，運輸到消費者手中時，自身包裝的保護性也是開發智能監測儀的重要一環。

本文針對某型智能物流環境監測儀設計一款包裝，并利用有限元軟件對其進行跌落仿真分析，以檢驗所設計緩沖包裝結構對物流環境監測儀的保護作用。

1 緩沖包裝結構設計

智能物流環境監測儀的外觀結構為規整的矩形結構，根據公司緩沖材料設計要求，智能物流環境檢測儀的緩沖包裝材料采用兩個厚度為5 mm的EPE材料，包裹在智能監測儀的兩端，如圖1所示。為確保產品的保護效果及包裝外觀的美觀性，產品外殼包裝采用單瓦楞E坑簡箱。

圖1 智能監測儀包裝圖

2 有限元模型建立

2.1 模型簡化

智能物流環境監測儀主要包括前殼、后殼、隔板、PCB板和電池等部件。包裝材料有EPE墊片及瓦楞紙箱。EPE緩沖材料可以很好的緩解外力對產品的沖擊[11]。為了平衡仿真精度和求解速度，將智能物流環境監測儀模型上的對仿真結果影響不大的不重要特征簡化或省去，簡化后的智能監測儀爆炸圖如圖2所示。

圖2 智能物流環境監測儀簡化圖

2.2 網格劃分及單元類型賦予

智能物流環境監測儀的前殼、后殼、PCB板、隔板、瓦楞紙箱等零件都屬于薄殼類零件，對其進行中面抽取處理，并劃分2D網格，可以降低網格劃分難度并提升分析速度[12]。對于類似EPE墊片、電池等規則零件可以直接采用六面體網格。

單元屬性會影響到仿真計算速度和結果精度。實體單元采用Belytschko-Tsay算法，其計算速度較快。殼體單元采用全積分函數算法，可以很好的預防沙漏和解決單元翹曲問題，其積分點個數取3，并且根據零件真實厚度賦予單元厚度[13,14]。

2.3 材料模型

智能物流環境監測儀產品及包裝主要用料有PCABS、PC、ABS，緩沖材料有EPE和瓦楞紙板。電池結構較為復雜，但考慮到在產品跌落沖擊中一般不發生破壞，仿真中將其等效為一個實體結構，材料用ABS材料屬性代替，通過調整材料密度保證電池整體重量不變。具體材料屬性見表1。

表1 智能物流環境監測儀關鍵部件材料參數

2.4 接觸設置

在整個跌落仿真過程中智能物流環境監測儀的接觸主要包括紙箱與緩沖材料、緩沖材料與智能物流環境監測儀外殼、智能物流環境監測儀各零部件之間的接觸。在智能物流環境監測儀的螺釘位置上增加螺栓約束代替螺釘約束，電池與后殼的膠粘約束用TIDE_NODES_TO_SURFACE接觸類型來代替。其余接觸關系采用自動單面接觸[15]。

2.5 跌落參數

在跌落過程中默認物品為自由跌落，根據當地重力加速度9.8 mm/s2，以及智能物流環境監測儀的試驗標準中的跌落高度1.2 m。由自由落體的計算公式：

計算出智能物流環境監測儀觸地時的瞬時速度為4.85 m/s。跌落仿真主要查看物品觸地時和觸地后的動力學變化情況，在智能監測儀觸地前這一大段時間的仿真不是主要觀察對象，所以將智能物流環境監測儀的離地高度設置為1 mm，給智能物流環境監測儀施加一個4.85 m/s初速度，可以大大縮短計算時間。在離智能物流環境監測儀最低點下方1 mm處添加一個剛性墻來模擬代替地面，如圖3所示。

圖3 跌落設置

2.6 輸出參數定義

在跌落仿真歷程中，最主要分析的時間段是產品外包裝觸地、變形、回彈這一段時間內的各項數據。如何設置求解時間、輸出步數將會影響到求解速度和求解結果的查看。本次仿真將仿真時間設置為0.05 s，輸出步數為100步。

3 結果分析

3.1 能量分析

智能物流環境監測儀在不同狀態下跌落，過程中的能量轉換曲線如圖4所示。

從圖4可以看出智能監測儀在不同狀態下跌落的過程中智能物流環境監測儀的動能與內能之間的轉化過程，在整個過程中符合能量守恒定律。由于跌落姿態的不同可以看出智能物流環境監測儀緩沖材料EPE墊片的吸能效果有所差異。面跌落過程中在0.004 s左右壓縮變形量達到最大，系統動能降到最小轉換為內能。在0.004 s到0.005 s期間，緩沖材料恢復形變，內能釋放重新轉換為動能。而棱跌落和腳跌落由于跌落姿態更加惡劣，會對緩沖包裝材料造成一定的損傷，所有棱跌落和腳跌落的最大變形量點來的更晚，并且由于對緩沖材料造成一定的損傷，所以緩沖材料無法完全恢復形變，最終的動能略低于面跌落的最后動能。

圖4 跌落能量轉換曲線

3.2 應力分析

3.2.1 面跌落

根據圖4可知，當動能降到最低時，內能達到最大值，整體壓壓縮變形最大，面跌落此時緩沖材料及智能監測儀主要零部件的應力如圖5所示。

從圖5可以看出在面跌落過程中瓦楞紙箱的最大應力出現在瓦楞紙箱底部為1.36 MPa，大于瓦楞紙箱的屈服極限1.05 MPa。下緩沖墊片EPE兩長棱的內角應力較大，最大應力點為2.234 MPa。智能物流環境檢測儀的主要受力點在底面內側的兩條限位筋條上，最大應力為17.43 MPa遠小于PC/ABS的極限應力75 MPa。所以在面跌落過程中改緩沖材料可以很好的吸收能量，保護智能物流環境監測儀不受損壞。

圖5 面跌落應力云圖

3.2.2 棱跌落

選取底面的短棱做跌落棱，使智能物流環境監測儀的中心穿過此棱且垂直于底面，智能物流環境監測儀及其緩沖包裝材料的應力云圖如圖6所示。

從圖6可以看出在棱跌落過程中紙箱主要是跌落棱受力，最大應力點在跌落棱的兩側達到4.933 MPa，超過了瓦楞紙箱的屈服強度1.05 MPa。下緩沖墊片主要跌落棱受力壓縮變形嚴重，跌落棱內側部分單元失效，最大應力達3 MPa。智能物流環境監測儀在棱跌落過程中只要是螺釘空位處受力嚴重，最大應力達到17.31 MPa，但是遠小于PC/ABS的極限應力75 MPa，也遠小于螺釘的剪切應力。所以在棱跌落過程中雖然對外包裝箱和下緩沖材料EPE造成一定的損壞，但是吸收了大部分能量，可以保護監測儀在棱跌落過程中不受損壞。

圖6 棱跌落應力云圖

3.2.3 角跌落

以底面的任意一個角做角跌落，使智能物流環境監測儀的重心穿過選取的角，且垂直于底面。智能物流環境監測儀及其包裝的應力云圖如圖7所示。

從圖7可以看出，在角跌落過程中紙箱主要受力位置在跌落角及角上的三條棱處，最大應力點在角上，為5.816 MPa超過了瓦楞紙箱的屈服強度。下緩沖墊片EPE主要受力點也是在跌落角及角上的三條棱上，最大應力點在跌落角上為3.011 MPa，跌落角及角上的三條棱部分單元失效。智能檢測儀在角跌落過程中主要受力點在螺釘孔位處，最大應力點為26.97 MPa，小于PC/ABS的極限應力75 MPa。所有在角跌落過程中智能物流環境監測儀的瓦楞紙箱和下緩沖墊片會受到一定成都的變形損壞，但是可以很好的保護智能物流環境監測儀在角跌落過程中不受損壞。

圖7 角跌落應力云圖

3.3 跌落試驗

智能物流環境監測儀按照試驗標準做一角三棱六面跌落，跌落高度為1.2 m，試驗結果如圖8所示。

從圖8可以看出僅是瓦楞紙箱的跌落角和跌落棱有一定的褶皺損傷，緩沖墊片EPE的棱角處有一點凹痕，智能物流環境監測儀沒有受到損傷。

圖8 智能物流環境監測儀跌落試驗

4 結論

以某智能物流環境監測儀為研究對象，設計了以EPE和瓦楞紙箱為主要材料的緩沖包裝，并對其進行了跌落仿真分析和試驗驗證。從仿真和試驗結果對比可以看出仿真結果可信度較高。仿真結果表明，盡管瓦楞紙箱和緩沖墊片雖有一定區域超過其屈服極限，但是在跌落過程中很好的吸收了能量，保證智能監測儀在運輸存儲過程中的可靠性。因此，在為產品設計包裝結構時，可以先利用有限元分析驗證，保證所包裝設計的可靠性，同時降低反復整改成本，縮短開發周期。