基于ANSYS強度仿真與動力學測試的包裝結構優化設計

雷鳴，吳穎*，彭芳，王衛華，張士強，許誠

基于ANSYS強度仿真與動力學測試的包裝結構優化設計

雷鳴1，吳穎1*，彭芳1，王衛華1，張士強1，許誠2

（1.蘇州城市學院，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州市計量測試院，江蘇 蘇州 215100）

在保障機械結構強度的前提下，對消費量大的某泵用木包裝結構進行優化設計，對機械強度進行CAE有限元仿真，并進行振動跌落沖擊測試，以降低成本提高產品價值。首先分析產品的使用功能，設計新型包裝方案，將原有鐵底板支撐結構優化改為用材更少的V型木質支撐結構，建立力學模型，進行底強度分析以及穩定性計算；然后運用SolidWorks建立3D模型，運用ANSYS Workbench進行仿真評估；最后生產出新型包裝，并根據包裝測試標準進行了測試。新的包裝結構用V型木質取代了鐵底板支撐，節約了100%的鐵質包裝材料，并通過了沖擊振動跌落測試。優化設計的新包裝型式能滿足運輸過程中的沖擊振動跌落等產品保護要求，滿足運輸穩定性的功能要求。本文以價值工程理念為指導，優化設計的新包裝結構，在滿足產品功能的同時節約了成本，是價值工程在包裝優化領域極好的運用，為機械工程領域包裝工程師提供了設計參考和解決方案。

包裝設計；力學強度仿真；優化設計；樣品測試；價值工程

包裝在機械制造領域使用量特別大，對包裝結構進行優化設計可以極大地節約成本[1]。在運輸途中，顛簸路況的會導致產品受到振動、沖擊、搖晃跌落等運輸問題的考驗[2]，包裝起到保護產品的重要作用。在設計包裝結構時，許多原始的方案采用木質材料與鐵質材料結合的方式，存在過度保護從而增加產品成本的現象，包裝使用量特別大，不合理的過度設計將增加巨大的成本浪費。

價值工程設計理念被廣泛應用于機械工程優化設計領域，價值工程的價值可以表達為=/其中，表示價值；表示功能；表示成本。可見在保障產品功能不變的前提下，減少研究對象的成本可以提高產品在生命周期中的價值。節約成本可以有效提高產品價值，本文中對某外企使用量巨大的產品包裝進行結構優化設計和測試[3-5]。

木包裝具有不生銹、抗沖擊能力強、易于加工、十分環保等許多優點。機械制造領域的產品比較笨重，大部分機械產品的包裝都選用木包裝。彭國勛[1]、蘭蔥[6]、樊博[7]等學者對包裝工程的設計方法和木質托盤的力學性能進行了大量研究。本文基于價值工程理念，運用機械制圖軟件和有限元分析軟件設計新型包裝結構，并進行振動跌落沖擊測試[8-9]。

1 新包裝結構方案設計

首先對產品的優化進行了方案設計。以某泵用包裝為研究對象，該樣品外形不規則，包裝采用立式包裝形式，幾何尺寸（長×寬×高）為740 mm×820 mm×1 400 mm。由于外形不規則，為了方便運輸，原始包裝設計增加了支撐用鐵底板，如圖1a所示，該鐵底板僅用于運輸過程中的包裝支撐。如圖1b所示，如果將改包裝結構優化設計去掉支撐用鐵底板（成本約110元），換成價格更便宜的木質V形塊支撐（成本約10元），全球年消費量估算約82萬個，每個節約100元，那么估算1年將會節約成本約8 200萬元，而且節約還會逐年累加，產生較大的經濟效益。

基于優化結構節約成本的目標，本文創新性設計了V形支撐的包裝結構方案，去掉支撐用鐵底板，將支撐方式由鐵板支撐變為V形木塊支撐，支撐位置由中間支撐變更為泵體兩端法蘭支撐，新舊包裝結構實物圖比較如圖1所示。本文還根據產品系列的尺寸，設計了不同大小的系列化設計，并進行強度分析，然后加工樣品，并進行振動跌落沖擊試驗驗證。

2 防傾覆穩定性分析

本文對產品進行了力學防傾覆穩定性分析。文中的泵類產品呈細長結構，立式包裝整體重心較高，因此為了保障運輸安全，需對新包裝結構進行穩定性分析和運輸傾覆危險評估[10-12]。本文根據泵類產品尺寸，設計了4款尺寸不同但樣式相同的包裝。文中選擇了最大最高的包裝為穩定性評估研究對象，其尺寸為950 mm×870 mm×1 520 mm，整體質量為560 kg。

圖1 新舊包裝結構實物圖比較

根據理論力學知識，產品包裝的力學模型如圖2所示。產品重心在整體2/3豎直高度，設如果運輸過程中側翻，整體以接地的邊為軸線產生翻轉。包裝長為，高為，重心高度為2/3，設汽車運輸時加速度為，重力加速度為。重力力矩為1=×/2，沖擊力力矩為2=2/3×，沖擊力為=，取=1 m/s2，包裝不側翻的條件為1>2，計算結果得重力力矩1為2 660.00 N/m，傾覆力矩2為567.47 N/m，1>2，故不會傾覆，新設計的結構安全。

圖2 穩定性計算模型

木材包裝材料主要采用實木和膠合板，膠合板可以緩解運輸過程中的沖擊，混合使用有助于減少木材開裂。底板材質選用膠合板，底部橫梁材質選用實木，支撐用的V形塊選用膠合板。木質膠合板的理化性能見表1。

3 三維建模和有限元仿真

本文繪制了新包裝結構的三維模型，V形塊支撐泵體的進水口和出水口與法蘭相切，泵體底部中間用4顆自攻螺釘配鉆連接，限制泵體的自由度。CAE有限元仿真技術（Computer Aided Engineering）被廣泛應用于產品結構強度設計過程中，為了解底盤的強度，本文運用ANSYS Workbench對包裝強度進行了仿真[13-14]，如圖3所示。按照使用工況和ISTA 3E設置邊界條件對模型進行強度仿真[11]，自動劃分網格方式，共有單元數19 132，節點數40 199。

如圖3所示，靜態情況下最大總變形量為0.505 mm，最大靜等效應力為8.87 MPa。查詢松木木材參數如表2所示[12-13]。松木材料的屈服強度為70 MPa，膠合板橫向靜曲強度為20 MPa。包裝的目標是保護商品的安全。根據仿真結果，泵體的最大應力出現在兩端法蘭處，最大應力為8.87 MPa。泵體材質為304不銹鋼，其屈服強度為205 MPa。底部托盤橫梁的等效應力為8.87 MPa（<20 MPa），滿足支撐強度要求。在底部托盤上部再加上AA瓦楞層合板，就可以有效地保護泵體側面。在靜態條件下，法蘭兩端的最大應力遠遠小于其屈服極限，因此新包裝V形塊支撐滿足保護產品的要求。

表1 木包裝用膠合板的理化性能

Tab.1 Physical and chemical properties of plywood for wooden packaging

圖3 包裝有限元分析

表2 松木材質參數

Tab.2 Properties of pine

泵體跌落時的動應力云圖如圖4所示。本文運用LS-DYNA模擬跌落測試，泵體跌落時會受到較大的動應力，根據ISTA3E測試標準，設置邊界條件模擬泵體從200 mm的高度跌落。根據仿真結果可知，最大動應力出現在V形支撐塊與泵法蘭接觸處，最大動應力為132.79 MPa，小于泵體的屈服強度205 MPa。因此在跌落時，包裝內部的泵體是安全的。對底部木質托盤部分強度進行分析，根據底部中間梁的顏色可判斷底部托盤受到的沖擊應力小于59.02 MPa，該應力小于松木順紋抗拉壓強度。仿真結果顯示底部托盤具有較好的強度可靠性。

圖4 泵體跌落測試時動應力云圖

4 包裝測試

為了產品安全，本文對優化設計的新包裝結構進行了動力學測試[15-18]，主要測試包括斜面沖擊測試、旋轉棱跌落測試、隨機振動測試。該測試在蘇州廣博力學環境實驗室有限公司進行。

測試目的：測試包裝在正常運輸狀況下是否可以保護產品完好無損。

測試樣品型號：TP125-400/4-A-F-A-BAQE 400D 50 Hz。

測試的環境：溫度為10～12 ℃，相對濕度為40%～44%。

樣品的技術狀態：本次試驗的樣品外觀、機構完好。

試驗標準：ISTA3E、GB/T 4857.23—2012《包裝運輸包裝件隨機振動試驗方法》[8]。

試驗條件如下。

1）斜面沖（撞）擊試驗條件：4個側面，速度為1.1 m/s2，1次/向。

2）跌落試驗條件：4個邊，跌落高度為200 mm，1次/邊。

3）試驗順序：初始外觀檢查—斜面沖擊測試—跌落—振動測試—跌落—外觀檢查。

試驗步驟如下。

1）試驗前，在室溫下對需要測試的樣品進行檢查。

2）將樣品放置在SMJ-1000斜面沖擊臺臺面上，按照斜面沖擊測試條件的要求分別對樣品施加規定的斜面沖擊測試應力。

3）對樣品的2個邊進行跌落測試。

4）將樣品固定在C-12000-120/SC-1212電動振動試驗系統臺面上，樣品具體安裝狀態見圖6，按照振動測試條件，施加規定的測試應力。

5）振動測試后，對樣品的另2個邊進行跌落試驗。

6）試驗后，在室溫條件下對測試后的樣品進行檢查。

主要試驗過程如下。

1）斜面沖擊測試如圖5所示。將要求試驗的包裝試樣放置在傾角為10°的沖擊試驗臺上，最大撞擊速率為1.1 m/s。重點檢查整個包裝在貨物急停時的抗沖擊能力，還需要檢查產品在整個包裝材料內的穩定性。包裝的4個側面都必須完成斜面撞擊試驗。

2）跌落測試如圖6所示。底座一邊墊高100 mm，另一邊拉高200 mm，使其自由跌落，重點檢查底座在跌落的過程中支撐塊出現斷裂的情況。

圖5 斜面沖擊測試

圖6 跌落測試

3）振動測試如圖7所示。主要模擬運輸路況對包裝的破壞情況[19]，本文參考ISTA 3E標準采用隨機振動試驗方法。隨機振動試驗條件如表3所示，試驗中試驗設備運行正常，施加的試驗應力曲線如圖8所示。表3中PSD即功率譜密度（Power Spectral Density），RMS即均方根（Root Mean Square）。整機測試結束后，包裝無損壞，測試通過。

表3 隨機振動試驗條件

Tab.3 Random vibration test parameters

圖7 實驗室內振動測試臺上的新包裝

試驗結果：本次試驗的具體操作和施加的試驗應力符合ISTA3E和GB/T 4857.23—2012包裝測試標準；試驗后樣品外包裝正常，底座未發現裂紋，側面未發現明顯損壞，包裝內含產品的功能與性能正常，新型木包裝結構通過了包裝測試。

圖8 振動測試應力曲線

5 結語

1）本文基于價值工程理念，對年消耗量大的包裝結構進行了優化設計，為企業和社會極大地節約了加工和使用成本。新包裝在保障產品功能的前提下，鐵板用料節約100%，改用更便宜的V形木塊支撐。優化后極大地節省了成本，滿足價值工程以較少的費用增大產品價值的要求。

2）本文在樣品生產前，運用SolidWorks建立三維模型，用機械設計方法對產品結構進行了防傾覆設計和理論力學計算分析，還運用了ANSYS Workbench有限元仿真技術，對新包裝和內部泵體進行了有限元仿真分析，通過仿真確定方案的可行性，可縮短產品研發周期。

3）本文對新設計的樣品進行了沖擊、跌落、振動測試驗證。測試結果顯示優化設計后的新結構能夠滿足應用工況，使新設計的包裝結構能推廣應用于生產。本文的設計方案和設計測試方法為包裝工程師提供了木包裝設計的一些設計參數和行業標準的應用，具有參考意義。

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Optimization Design of Packaging Structure Based on Strength Analysis of ANSYS and Dynamic Testing Verification

LEI Ming1, WU Ying1*, PENG Fang1, WANG Wei-hua1, ZHANG Shi-qiang1, XU Cheng2

(1. Suzhou City University, Jiangsu Suzhou 215104, China; 2.Suzhou Institute of Metrology, Jiangsu Suzhou 215100, China)

The work aims to optimize the design of wooden packaging structure with a large consumption in a certain type of pump on the premise of ensuring the strength of mechanical structure, simulate the mechanical strength by CAE finite element method and carry out the vibration drop impact test to reduce the cost and improve the product value. Firstly, the use function of the product was analyzed and a new packaging scheme was designed. The original steel support structure was optimized to V-shaped wooden support structure and a mechanical model was established to analyze the bottom strength and calculate the stability. Then, SolidWorks was used to construct a 3D model and ANSYS Workbench was adopted for simulation and evaluation. Finally, a new packaging was produced and tested according to the packaging test standards. The new packaging structure replaced the iron baseboard support with V-shaped wood, saving the cost of iron packaging material 100%, and passed the impact, vibration and drop tests. The optimized design of the new packaging type could meet the protection requirements of the impact and vibration drop during the transportation process and satisfy the functional requirements of transportation stability. Guided by the value engineering, the optimized design of the new packaging structure reduces the cost while achieving the required function, which is an excellent application of value engineering in packaging optimization and provides design reference and solutions for packaging engineers in mechanical engineering field.

packaging design; mechanical strength simulation; optimization design; sample test; value engineering

2023-01-10

2022年教育部高等學校科學研究發展中心中國高校產學研創新基金項目（2022BL082）；2022年江蘇省高校實驗室研究會立項資助研究課題（GS2022BZZ36）；2021年度江蘇省高等學校基礎科學（自然科學）研究面上項目（21KJD460006）

通信作者

TH122；TH140.8

A

1001-3563(2023)21-0253-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.031

責任編輯：曾鈺嬋