1、毕业设计文献综述 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 摘要： 本文介绍了课题的研究背景，研究内容，应用软件以及简单有限元计算步骤和研究的意义 。 关键字： 研究背景，研究内容，有限元，研究的意义 1 研究背景 碰撞问题是在经济建设和生产实际生活中经常大量遇到的问题。凡是有形的物质产品，如当今盛行的手机，便携式电脑，电子字典和一些其它的电子器件等等从投产开始，直到产品完全报废，总是在不经意时与它外界的物品发生碰撞，这是不可避免的。所以，许多产品在设计过程中都会考虑产品在未来发生碰撞后会发生什么样 的后果，还能不能继续使用，如果不能使用时，那么它的损伤程度到底有多大？即有一个
2、可靠性的问题。但是，以前的试验几乎都是对产品样机进行实物试验，实验作用时间很短，不易控制，而测得的物理量也很有限，无法获得空间和时间上的连续结果，不能完整显现跌落过程的结构响应和结构振动变形机理。此外，实物试验所带来的结果是增加成本，延长产品生产周期，适应不了当今科技发展的步伐，更失去占领市场的先机。 随着计算机技术飞速发展，有限元技术广泛应用到产品及外包装抗跌落性能的研究中 1 。 国外关于这方面的研究较为具体深入。 K.H.Low 用 MSC.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
3、 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 ；Y.Y.Wang， C.Lu 对电子产品包装应用有限元方法进行了跌落仿真并对电子元器件进行了失效分析 2-4 。 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
4、 :气罐及锥形，比方形或矩形更能深切的了解静态和动态强度。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 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。 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
5、耗最少的包装及缓冲材料实现其最大限度的保护产品的作用，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 ANS YS 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 ANS YS/LS-DYN A 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 8
6、。 浙江大学王春霖等人应用 ANS YS 有限元软件对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 9 。 2 课题研究的内容 本文采用有限元软件对塑料盒 /包装盒进行不同跌落方式的计算机仿真，可以得到我们关注的参数，如结构整体应力变形，结合不同工艺参数，找到适当的工艺过程，这样不但使产品抗跌落、耐冲击的能力得到提高，而且还弥补了实物试验的不足
7、。 在仿真模拟试验中，我着重了解和研究了 LS-DYNA 的前处理时单元类型的选择、网格的划分以及 接触的设置等对跌落模拟试验的影响情况。并在试验中，找出随塑料盒受到跌落冲击时的薄弱或易损位置。 3 应用软件的简介及处理过程 CAD(计算机辅助设计 )系统具有几何建模，工程分析，模拟仿真，工程绘图等功能 5 。 我们通过 Solid Works 软件建立产品的模型和通过有限元软件进行计算分析。 Solid Works 是由美国 Solid Works 公司开发的三维机械 CAD 软件，自 1995 年问世以来，以其强大的功能，易用性和创新性极大地提高了机械工程师的设计效率。 Solid Wor
8、ks 提供了基于特征的实 体建模功能，用户可以通过拉伸特征，抽壳等操作实现产品的设计，方便添加特征，更改特征以及将特征重新排序，对特征和草图进行动态修改，并通过拖拽等方式实现实时设计修改 6 。 有限元法 (Finite Element Method)是用于求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维形体接触、弹塑性等力学性能的分析计算，以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。 LS-DYNA作为世界上最著名的以显示为主，隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，能够模拟真实世界的各种复杂问 题，特别适合求解各种二维和三维非线性结构的高速碰撞，爆炸和金属成型
9、等非线性结构动力冲击问题，同时可以求解传热，流体级流固耦合问题，是显式有限元理论和程序的鼻祖。它广泛应用于汽车安全安全设计，武器设计，金属成型，跌落仿真等领域。 用 Solid Works建模后的处理过程 7-10 ： 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，定义与分析有关的接触信息，边界条件与载荷等。 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-DYNA970求解器进行计算。 结果后处理与分析 对计算的结果数据进
10、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。 4 课题研究的意义 将理论分析与实验结果综合运用于缓冲减损包装 产品在运输过成中，由于包装不当而造成的损失是很大的，其主要原因上运输过程中的冲击和振动。由于包装件在运输过程中经常受到振动、冲击等环境负荷的影响，造成包装件的损坏。为了避免上述情况的发生，事先必须对包装件进行测试，而目前所使用的方法是在 实际条件下对包装件进行测试，通过对产品进行冲击、振动试验，测试的出包装件在冲击、振动外力作用下的动态力、加速度、速度、位移等。但是这种试验对产品来说是破坏性的，并且试验费用昂贵。而有些产品，尤其是电子产品，结构精密，价格较高
11、，容易造成大量人力、物力和财力的浪费，不宜对它进行破坏性的试验。同时由于这种试验的破坏性使得许多商家望而止步，宁可不对自己的产品做出性能评价，而采用其他不十分科学的方法如类比法、经验法来设计产品的包装。由于这种包装设计的不科学性，使产品不能得到合理、有效的保护。 要改变这种现状，就需要采 用一种用非破坏性的手段来评价产品的性能的方法。对缓冲包装件在运输条件下的受力分析是一个很复杂的问题，解决这个问题需要进行计算机仿真分析。仿真，也叫模拟，是一种基于模型的活动，它包括： （ 1） 建立仿真模型：对运输条件下的缓冲包装件进行简化，建立 C AE模型。 （ 2） 分析处理：运用有限元技术动态分析缓冲
12、包装模型，得出理论结果。有限元法在分析结构的问题中，非常方便有效。 （ 3） 对模型进行实验：用振动台模拟实际运输条件下的振动，记录振动激励和模型的响应，分析实际情况下的受力情况，并对计算机有限元模拟的结果进行验证。 （ 4） 将理论分析与实验结 果综合运用于缓冲减损包装 垫的实际设计与生产之中，从而达到降低商品的破损率。 5 结论 跌落实验（ Drop Test）广泛地被制造业用来验证产品的安全性，如作为包装材料与结构方式的设计与验证。近年来因各类型的消费性电子产品的小型化与轻量化，产品是否能抵抗不慎跌落地面的冲击力所造成的破坏，亦成为产品的设计重点之一。然而跌落测试所需要的原型制造与实地试
13、验工作着实占掉了巨额的开发成本。 在包装产品的结构设计阶段，采用跌落仿真技术对其在运输过程中或使用过程中可能碰到的跌落情况进行仿真，用量化的指标展示了产品受冲击的情况 。这种通过仿真在准确选择了材料类型和合适的网格大小后所得到的结果是可信的。 应用大型有限元软件如 LS DYNA 模拟跌落过程，可减少或避免不必要的破坏性试验，缩小试验周期和费用，为工程师设计出更好的抗跌落、冲击的产品提供了非常有用的信息。 前人做了很多类似这些的模拟，总结出一些模拟中的不足之处。由于 ANS YS /LS-DYNA 建模功能的局限性，电器运输包装件的实体模型是在 PRO/E 或 Solid Works 中建立，
14、然后通过 PRO/E 或 Solid Works的直接接口将实体模型导入 AN SYS/LS-DYNA 中生成有 限元模型，这样模型不够美观，模型还需进一步细化。在用 ANS YS /LS-DYNA 软件 进行跌落仿真模拟时，如果模型较大，单元数目较多，计算起来非常耗时且对计算机性能要求非常高，通常为了减少计算时间，会对模型进行简化，这会给仿真带来一定的误差，但不会影响最终结果的变化趋势。 参考文献： 1.彭国勋 .运输包装 M .北京 .印刷工业出版， 1999. 2.Young-Shin Lee, Chung-Hyun Ryu, Hyun-Soo kim etc: A study on T
15、he free drop impact of a cask using commercial FEA codes J .Nuclear Engineering and Design, 2005， 235(4):2119-2226 3.Y.Y.Wang, C.Lu, J.Li,X.M.Tan etc. Simulation of drop impact Reliability for electronic devices J . Finite Elements in Analysis and Design, 2005， 41(3):667-680. 4.K.H.Low. Drop cushion
16、ing effects electronics products formed By plates J . Advances in engineering software, 2003， 34(5): 5-31. 5.王隆太 .机械 CAD/CAM 技术（第二版） M . 机械工业出版社， 2005. 6.魏峥 .三维计算机辅助设计 Solid Works 实用教程 M .高等教育出版社， 2007.5。 7.（美） Saeed Moaveni 著 . 欧阳 宇 ,王崧译 .有限元分析 M .北京：电子工业出版社， 2003. 8.李裕春，时党勇，赵远 .ANSYS 10.0 LS-DYNA 基础理论与工程实践 M .中国水利水电出版社， 2006.40-88 9.尚晓江，苏建宁 . AN SYS /LS-DYN A 动力分析方法与工程实例 M .中国水利水电出版社， 2005. 10.熊建友 ,辛勇 ,揭小平 ,杨国泰 .ANS YS /LS- DYNA 在跌落仿真中的应用 J .计算机辅助工程 , 2003, 2： 46.
