1、毕业设计开题报告 机械设计制造及其自动化 跌落方式对产品结构设计的影响分析 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 本课题国内外研究动态 近年为了提高产品在意外跌落时的可靠性，许多研究者对产品及包装盒的抗冲击性能进行了研究。 在西方发达国家，利用计算机仿真模拟很早以前就被广泛用于工业生产。在早期的研究中，其研究人员已经对电视机、烤箱、收音机等电子产品进行了跌落模拟，并得到了一些数据和结论。现阶段他们利用有限元软件进行跌落模拟的目的主要是研究模拟过程中的一些技术问题和细节问题，这也是我们在模拟过 程中经常遇到的问题，这也代表着仿真模拟研究的一个发展方向。 K.H.Low 用 MSC.
2、Parran 软件来模拟带有缓冲包装的电视机的自由跌落过程，并提出 GL 分析方法，且基于 HERTZ 的理论对整个模型进行了优化设计； Liu et al 用LS-DYNA 软件模拟包装物品的跌落，并且得到了峰值加速度。 新加坡的 Y.Y.Wang， C.Lu等人研究了跌落模拟的可靠性，通过对电视机、外套、组装设备等进行有效的建模和选择正确的仿真方法的实例，说明了应用有限元法的虚拟产品开发，并评价了模拟对研究跌落的重要意义。 Jason Wu， GuoShuSong 等人利用有限元方法研究了便携式通信设备遭受撞击的情况，并用 HYPERMESH 和 LSDYNA 对摩托罗拉的产品进行模拟仿真
3、试验，得到了其容易损伤的原因和易发生损坏的部位。通过跌落试验和模拟的对比分析，用测试的数据加以说明，证实了仿真和测试技术应用的可靠性和对设计支持具有重大意义。 国外还有很多人研究包装缓冲材料，例如纸浆、泡沫等的材料性能。 Gary Burgess研究了美国一种泡沫包装产品 Convoluted foam 的缓冲特性。在用缓冲曲线估算跌落到 Convoluted foam 上的 峰值加速度的技术要对应一个泡沫信息。而屈曲应力可以用来预测的 G1。 John Hoffmann 研究了纸浆模塑包装的抗压和缓冲性能，通过试验展示了如何实现轴对称几何，例如 :气罐及锥形，比方形或矩形更能深切的了解静态和
4、动态强度。截锥形比矩形或方形的几何形状有高出近 20%的更好的压缩强度。由截锥获得的 G 曲线比代表方形或矩形的 G 曲线更广泛更开放 一更广泛的 G 曲线会有更大的设计空间和较好的设计成功率。同时，对某一给定的 G 值也可实现用较少的材料。并得出不同几何形状纸浆模塑包装的动态特性 :圆柱状，圆锥状和大圆度的产品比方形 或矩形有小圆度的产品有更好的抗压强度。这就可以让使用纸浆模塑包装的人根据产品的重量、跌落高度和堆码高度等，设计出合适的模塑纸浆包装 7。 这种针对缓冲材料性能的基础研究也给我们一个新的启示 :我们可以通过加强对缓冲材料的性能研究，进而实现消耗最少的包装及缓冲材料实现其最大限度的
5、保护产品的作用，充分的节约和利用资源，这样既可以减少企业的生产成本，也可以减轻社会的环境负担。 由于历史和经济原因，我国仿真模拟的起步和研究都比较晚，但是发展势头比较迅速。国内很多研究人员使用了 ANSYS 等有限元软件， 对一些比较有实际意义的产品进行了模拟研究和理论研究，取得了很好的结果。 江南大学的华丽和钱静对洗衣机运输包装件的进行了跌落仿真分析，他们利用ANSYS/LS-DYNA 软件对洗衣机运输包装件进行跌落仿真试验，获得平跌落情况下洗衣机运输包装件的应力、应变的变化规律，为洗衣机运输包装结构强度理论的探讨和结构的优化设计提供了指导。 浙江大学王春霖等人应用 ANSYS 有限元软件对
6、玻璃啤酒瓶的跌落进行了仿真研究。获得了贮酒情况下和空瓶情况下的跌落以及斜跌落情况下的应力分布情况。根据空瓶和贮酒状态下的跌落冲击应力，得到了啤 酒瓶在典型跌落状况下的应力场及其应力时间规律曲线。论文中首次定义了量化描述液体在冲击运动中对容器应力倍增作用的系数，揭示了液态商品对容器应力影响的若干规律。 此外，也有不少研究者运用了不同的有限元软件对手机进行了跌落模拟试验，但其各自偏重的研究方向不同。华南理工大学汤立群、孙晖、何庭蕙等人对跌落条件下手机的冲击动力学分析和结构优化设计进行了研究，通过对手机跌落模拟试验观察手机上、下面板的脱开情况，并测得手机的跌落速度、回弹速度和冲击时间，结合理论分析证
7、明了数值分析的合理性和可靠性，并利用数值分析解释了跌落过 程中手机在特定位置脱开的原因，以上分析表明手机部分设计存在不合理性。同济大学和 UT 斯达康进行了手机的实体分析，他们基于 IDEAS 软件系统，采用了针对此类复杂结构的离散化方法 分区法，成功地行了手机装配体有限元网络划分，给出手机的几个关键部位的最大应力及其相应的冲击方向。摩托罗拉 (中国 )电子有限公司的姬立明利用 ABAQUS 甩 Explicit 模拟解决 E680 手 机 顶 部 卡 钩 脱 开 问 题 。 东 南 大 学 祖 景 平 ， 薛 澄 岐 运 用MSC.PATRAN/DYTR-AN 软件就手机自由跌落试验仿真分析
8、过程中加强筋厚度对手机壳体强度和刚度的影 响进行了模拟仿真，并对计算数据对比和分析，得出加强筋厚度设计的通用参考数据。此外，俞璐，薛澄岐，祖景平等人还利用 Hyper Mesh/LSDYNA有限元软件进行了手机电池盖跌落的仿真分析，他们主要是观察和研究了跌落时手机盖是否与主体发生脱落等问题。 上述运用各种有限元软件对运输包装件进行跌落仿真分析，对产品结构进行的评估都得到了很好的结果，也为本论文中我们进行的塑料盒的模拟仿真提供了很大的指导。 选题的依据和意义 频繁的贸易让商品流通成为经济活动中重要的组成部分，它以生产地为起点，以消费者或用户为终点 。广义上讲，商品流通包括了商品及其包装的运输、中
9、转、装卸、仓贮、陈列、销售等环节，其中装卸搬运环节、运输环节、贮存环节是商品及包装在流通过程中的三个基本环节。 在流通运输过程中，商品必然要经受一些外部因素的影响，甚至在消费者的使用过程中也可能会因某些原因而不慎发生跌落 /碰撞冲击，这种剧烈的冲击会使电子产品的运动状态在极短的时间内发生急剧的变化，这可能会造成产品因受到的冲击而发生损坏。对于易损、高精度的机电产品、电子、电工产品等，如果对其包装不善，就会导致流通过程中因为这种冲击出现很高的破损率，这会给生产企业 和个人消费者造成很大的经济损失。 在各种冲击环境中跌落冲击最为强烈，由于跌落冲击引发的损害是产品在运输、使用过程中遭受的最主要的失效
10、形式。为了方便装卸、运输和储存，也为了产品受冲击时避免其降低或者是丧失它的使用价值，这就需要我们对产品受到冲击后的反应进行研究，并通过对其进行合理的包装，最大限度的保证产品的安全，保护产品、方便储运、促进销售是包装的三大功能，而其最主要的就是保护产品不受损害。 在产品设计过程中，我们都会考虑产品在跌落冲击下会产生什么样的后果 :产品还能不能继续正常使用，如果不能继续使用，那么跌落 冲击对产品的损伤程度到底是多大等等。经过研究，我们可以将造成产品的破损现象归纳为以下三类： 1)结构完整性破坏，包括产品零部件的强度降低、断裂破坏、疲劳和摩擦损伤等； 2)结构功能性破坏，包括结构及其元件、部件的性能
11、失效、失灵等； 3)产品工艺性破坏，包括联接件松动、脱离，部件相互撞击、短路或磁化等，还有寿命退化，即某些机电产品、电子电工产品在一定振动环境下引起工作寿命的缩短等。 由于产品的各部件承受载荷的能力一般都是有限的，因此能否经受冲击载荷对于设计一个成功的产品来说是十分关键的 14 。产品抗跌落冲击 的性能情况以往通常都是通过物理实验来获得的。尽管跌落试验测试作为一种直观可靠的研究方法得到了广泛的使用，但是对手机一类的便携式电子产品而言，这种研究方法有其不可逾越的局限性，这主要表现在 : l)无论对产品设计进行多么细致的改动，必须等到原型生产出来才能进一步的实验，这使得测试过程既耗时又费钱； 2)
12、实验的到的冲击响应信息非常有限，只能获得贴有传感器的部分的信息，而在动态测试环境下只能使用应变片、加速计等少数几种传感器，何况在一些敏感的地方如焊点，由于尺寸制约不能帖传感器； 3)由于传感器本身具有一定的质量， 会对测试结果有影响。 其中最主要的是跌落冲击的作用时间非常短 般只有几微秒，实验操作也不易控制，而测量到的物理量也非常有限，也无法获得空间、时间上的连续结果，不能完整的体现跌落时结构响应过程和结构振动变形机理，因此产品的此类物理实验现在仅仅被用于评判产品能否通过行业规定的标准 15 。 随着计算机硬件和软件技术的发展及应用，涌现出很多仿真软件用来模拟生产、生活中遇到的这些实际问题。跌
13、落仿真模拟能够让我们很详细的了解物理实验中存在的那些不足之处。在产品设计阶段进行模拟分析，可以直观动态的演示整个跌落过程以及各种物理量的变化 (如应力、应变等 )，其分析的结果可以对设计方案的修改提供指导，以使产品在生产出来之前就能达到承受一定跌落冲击的要求。此外模拟试验也可以得到比物理实验更加准确、更加可靠的数值数据。 采用跌落仿真试验我们可以做到以下几点： l)事先预测包装件的设计是否存在设计缺陷，如果有缺陷可以在生产样品之间及时进行修改，这样可以缩短开发的循环过程，加速产品开发过程； 2)可以得到详细的实验报告，提供量化分析报告，指明缺陷的部位及产生的原因，为设计人员提供修改设计依据，逐
14、步完善设计，提高了设计质量； 3)仿真试验 费用低，时间短，建模时间相对于制造样品大大缩短，而且开发的经验也可以成为新的技术，在以后的设计中可以避免走弯路并能加快开发速度，提高产品质量； 4)跌落仿真试验可以提供重复结果和模型上任意点的信息 (应力、应变、加速度等等 )，而且在设计过程中，可以对任意阶段都可以进行模拟。 由于产品成本的 80%以上是由设计决定的，因此采用跌落试验仿真能有效地发现和改进设计缺陷。通过模拟得到的数据，我们可以对模型进行反复的修改，并结合不同工艺参数，找到适当的工艺流程，设计出合理的产品结构及其包装，以适应当今科技发展的步伐，起到 省时、省钱和提高设计质量的作用，从而
15、最终降低产品的研发成本，加快产品的上市速度，迅速占领市场。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 研究的基本内容 在运输过程中产品发生意外跌落时的跌落方式多种多样，通过模拟产品不同跌落方式下的跌落过程，分析跌落方式对产品的影响，从而优化产品结构或设计缓冲包装结构。 拟解决的 主要 问题 1.分析不同跌落方式对产品的损伤影响。 2.找出产品受到最大应力的位置。 三、研究步骤、方法及措施： 研究步骤 建模 用 SolidWorks 软件进行三维建模。 1）前处理 -建立分析模型 指 定分析作用的单元类型并定义实常数（如梁单元的截面积），指定材料模型；建立几何模型进行网格划分，形成有限元模型，定义
16、与分析有关的接触信息，边界条件与载荷等。 2）分析选项设置及求解 指定分析的结束时间以及各种求解控制参数，形成关键文件（ LS-DYNA计算程序的数据输入文件），递交 LS-DYNA求解器进行计算。 3）结果后处理与分析 对计算的结果数据进行可视化处理和相关分析，可调用 LS-POST后处理程序进行结果后处理。 方法及措施 自主设计、研究，关键问题与指导老师沟通。 四、参考 文献 1彭国勋 .运输包装 M .北京： 印刷工业出版 .1999.1 2K.H.Low. Drop cushioning effects electronics products formed By plates J .
17、 Advances in engineering software, 2003， 34(4): 5 31. 3Young-Shin Lee, Chung-Hyun Ryu, Hyun-Soo kim etc: A study on the free drop impact of a cask using commercial FEA codes J .Nuclear Engineering and Design, 2005， 235(5):2119-2226. 4Y.Y.Wang,C.Lu,J,Li,X,M.Tan etc. Simulation of drop impact reliabil
18、ity for electronic devices J . Finite Elements in Analysis and Design, 2005，41(3):667-680. 5Jason Wu， Guoshu Song chao-pin Yeh， Karl Wyatt. Drop/impact Simulation And Test Validation of Telecommunication Products. Intersociety Conference on Thermal Phenomena. 1998， 15 20. 6Gray Burgess. Cushioning P
19、roperties Of Convoluted Foam. Package Technol. Sei.1999， 101 104. 7John Hoffmann. Compression and Cushioning Characteristics of moulded Pulp Packaging. Package.Technol.Sci.2000， 13:211 220. 8华丽，钱静 .洗衣机运输包装件的跌落仿真分析 J.包装工程， 2008,29(4) :61 62 9王春霖，张丽强，王振林 .基于 ANSYS 的啤酒瓶跌落仿真分析 J.包装工程， 2006，27(4):23 25.
20、10汤立群，孙晖等 .跌落条件下手机的冲击动力学分析和结构优化设计 J.现代制造工程， 2006(6):112 114 11李鹏忠，张为民，陈炳森等 .手机环境试验自由跌落的 CAE 仿真 J.制造工业自动化， 2003， 25(8):36 39. 12祖景平，薛澄岐 .手机跌落破坏仿真分析研究 J.中国制造业信息化 2006，35(11):68. 13俞璐，薛澄岐 ，祖景平 . 手机电池盖跌落的仿真分析 .CAD/CAM 与制造业信息化2007.(7):49 51. 14李鹏忠，张为民等 .手机环境试验自由跌 落的 CAE 仿真 J.制造业自动化 .2003，25(8):36. 15熊建友，辛勇，揭小平等 .ANSYS/LS-DYNA 在跌落仿真中的应用 J.计算 机辅助工程， 2003(2):46.
