1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 鼠标的缓冲包装设计及有限元分析 摘 要 包装产品跌落冲击加速度是产品跌落时发生损坏的主要因素。当跌落冲击加速度大于产品脆值时，产品将发生致命损伤。因而通过增加缓冲包装来减小跌落时的冲击加速度是保护产品的重要措施。 将 使用 蜂窝纸板材料 作为缓冲 包装 ， 用FEMB和 LS-DYNA有限元分析软件分别对无包装和有包装时的产品进行跌落仿真模拟，分析在有蜂窝纸板包装条件下对冲击的缓冲作用，使产品跌落后所受的冲击加速度在产品所能承受的范围之内，从而验证了使用蜂窝纸板作为缓冲包装的重要性和必要性，并修改缓冲包装参数，得到厚度的缓冲包装最优值。 关健词： 缓冲
2、包装；脆值；蜂窝纸板；有限元分析；最优值 0 引言 产品在运输过程中，损坏的主要原因是冲击与振动。运输过程中冲击或振动通过包装系统传递给产品的动态力，加速度，位移，是缓冲包装设计的重要依据。为了避免损坏的发生，事先需对包装进行测试 1。因此有必要对包装件作跌落仿真分析，进而完善产品内部结构及缓冲包装的优化设计。对于跌落试验仿真的理论比较多，大致都是针对产品验证有限元理论对分析跌了问题的有效性和可靠性，但往往在包装系统的结构设 计和产品脆弱性的仿真分析比较少见。为此我们用有限元理论和 FEMB 和 LS-DYNA 对仪器的这类包装件跌落冲击响应仿真进行分析，综合性的分析缓冲包装在运输中对产品的影
3、响。 1 运输过程中的缓冲包装 目前在产品的缓冲包装设计过程中，缓冲材料的选择和尺寸计算不仅须查找很多图、表，而且需要大量时间来计算、分析、比较，最终选出合理的缓冲包装方案。这种传统的手工设计方式因其过程繁复、方案选择较难及较大程度地依赖设计人员的自身经验等不足之处，在一定程度制约了缓冲包装设计的发展。计算机模拟及信息技术迅速渗透到包装设计领域，使 得计算机辅助缓冲包装设计和分析成为可能。将计算机引入产品的设计开发可使人们从以往繁杂的手工设计中解放出来，显著缩短产品的研发周期，而且计算结果准确可靠。因此各主要工业国家都投入大量人力、物力开发各种智能包装系统。计算机辅助设计技术在缓冲包装领域中，
4、必将有更为广阔的应用前景。 基于系统分析的缓冲包装设计 。 但是，在以往的缓冲包装系统开发过程中，由于开发人员关注更多的是包装系统的设计本身，忽略了其它几个阶段，特别是系统分析阶段的重要性，以致因不合理的包装设计所造成的资源浪费是很大的。 为了最大限度地减少缓冲包装系 统开发过程中的资源浪费，并力求开发出一个最优的包装系统，必须按系统工程的规律去开发缓冲包装系统，使之具有最佳的保护性、经济性、社会适应性和生态特性，这既是缓冲包装系统的总体目标，也是缓冲包装设计理论的发展方向。选择何种缓冲材料来防止产品发生致命损坏是缓冲包装研究的重点问题。 蜂窝纸板是一种粘弹性缓冲包装材料，具有优良的缓冲防振性
5、能和质量轻、强度高、承重大等优点，可以广泛用于电子电工产品、机电产品、精密仪器、家用电器、易碎物品的缓冲包装和运输包装。 我们 用 FEMB和 LS-DYNA有限元分析软件分别对无包装和有包装 时的产品进行跌落仿真模拟23。分 在有蜂窝纸板包装条件下对冲击的缓冲作用，使产品跌落后所受的冲击加速度在产品所能承受的范围 之内，从而验证了使用蜂窝纸板作为缓冲包装的重要性和必要性，并修改缓冲包装参数，得到最合适厚度的缓冲包装 。 1.1 缓冲包装的现状 当今的缓冲包装以泡沫为主，它有的多方面的好处，如 重量轻、易加工、保护性能好、适应性广、价美物廉等。但是也存在着体积大，废弃物不能自然风化，焚烧处理会
6、产生有害气体等缺点。在环境污染严重、自然资源匮乏的情况下泡沫塑料对环境的危害引起人们的极大重视。随着科技 的发展，人们对有种要求的提升，使得泡沫也慢慢的离开主线。蜂窝纸板随之被人们越来越接受。蜂窝纸板的强度和刚度高，材耗少，重量轻、内芯密度几乎可以与发泡塑料相当。蜂窝纸板由于内芯中空充满空气且互不流通，因此具有良好的防震、隔音性能适用于精密仪器、仪表、家用电器及易碎物品的运输包装而且无危害。 1.2 脆值 脆值是指 产品不发 生物理的或功能的损伤所能承受的冲击极限，用 G 表示。在数学上描述为：脆值 G是跌落冲击时的临界加速度。因为脆值 G是无量纲的纯数，所以将最大加速度 a 表达为重力加速度
7、 g 的倍数，用 Gm表示，即 Gm=a/g，Gm也称作产品最大加速度 。 合理的缓冲包装设计必须以流通环境条件为外因，产品脆值为内因，通过缓冲包装设计达到内因和外因的统一，从而使商品获得最佳缓冲效果，同时使包装成本最低。目前还没有条件搜集和整理各类产品脆值的测试数据，也更没有我国自己的产品脆值标准。 每个国家所设置的脆性也有各有 差别 6。 包装件在流通过程中，由于包装不良而造成的产品价值损失，都称为破损。破损的形式很多，如薄壁产品的变形，易碎产品的破裂、仪器的失灵：容器泄漏等。破损是一种流通事故，它一方面受产品的固有属性 (材 质、密度、结构 )的支配，另一 方面又受外部流通环境的影响。
8、而 破损用量值即为脆值。 此可知，产品脆值反映的是产品本身的力学属性，是它抵抗动力冲击的能力。当作用在产品上的冲击力超过某个极限时产品的结构就会产生破损或功能失效，这就是所说的产品脆值。当达到或超过这个脆值，产品的破损即不可避免。为使产品确保不发生破损，产品应在其脆值以下进行流通。为此，引入一个安全系数；这是一个大于 l的数，将脆值除以安全系数，即得许用脆值。产品在许用脆值以下的情况下流通，可确保安全。 脆值的确定，一般是对产品进行破坏性的跌落冲击试验，从而得到各产品脆值 的标准量值。由于产品质量有所不同，以及试验方法并未完全统一，故测试结果不尽相同，各国制定的产品脆值量值也不完全一样。 脆值
9、是产品质量标准的一项指标，也是包装结构设计中一项重要的基本参数。脆值的确定，必须对产品进行破坏性的跌落冲击试验，以获得有关试验数据，再经过适当的数据处理而得到。脆值试验通常分两种，即冲击机试验和缓冲跌落试验。前者精度较高，但操作及设备要求较高；后者操作简单易行，但测试精度较低。除了用仪器测试脆值外，还可用经验估算法，它避免了对产品进行破坏性试验，可有效地保护产品，特别是价值昂贵的产品。 它是对各种破损事故进行大量的调查和分析，在进行数理统计时，常常可找到该产品的某些极限的运动学或动力学特征，并由此而得到该产品的脆值。 1.3 包装 件跌落仿真 为了更好的利用缓冲包装，合理的安排如何包装。我们
10、应用有限元理论和有限元方法，对运输包装件进行跌落试验数值 模拟 分析，计算得到不同工况下的冲击力学响应，并结合以往的环境试验结果，得出了缓冲包装的可靠性和包装件内部无法检测部件的环 境适应性结论 7。还 将理论 模拟 结果与模拟试验测量结果进行对比分析，计算结果与实测结果有较好 地 一致性，验证了数值模型和 模拟 方法 的有效性。 还比如在科学的分析下 用有限元分析工具ANSYS软件，对空调采用 蜂窝纸板 包装，进行了跌落模拟，得出包装件的最大主应力不超过缓冲材料的强度极限，缓冲衬垫起到了缓冲效果。 还有 FEMB和LS-DYNA有限元软件同样可以使 用 8。 基于 LS-DYNA的跌落仿真，
11、其仿真分析结果与实验结果基本吻合，验证了LS-DYNA对跌落冲击的 有效性 9 10。 以某品牌 17英寸液晶显示器作为研究对象 ,在确定其流通环境、基本参数、脆值等基础上 ;采用瓦楞纸板作为缓冲材料进行了全瓦楞纸板的缓冲包装设计 ,并对所作的结构设计与 材质选择进行校核 ,证明此缓冲包装 设计 11。 缓冲包装 跌落仿真 的步骤 主要分为以下几步， (1).确定产品脆值； (2).如果发现产品脆值偏低，应考虑重新设计产品中的关键件结构，提高其脆值； (3).根据产品脆值和缓冲材料特性设计缓冲材料的结构和确定其最佳尺寸； (4). 设计并制作原型包装结构； (5).按国家标准规定或客户要求的条
12、件，试验评价原型包装。 (6).如果试验结果与设计的预期结果不一致，重复上述步骤，直到满意为止 12。 1.4 缓冲包装跌落仿真现状 朱若燕，李厚民在对空调包装结构仿真分析中， 用 ANSYS 软件 进行跌落得出包装的最大应力不能够超过缓冲材料的强度极限，因为 缓冲衬垫起到了缓冲效 效 果 13。 吴彦颖用有限元理论和有限元方法，对运输包装件进行跌落试验数值 模拟 分析，计算得到不同工况下的冲击力学响应，并结合以往的环境试验结果，得出了缓冲包装的可靠性和包装件内部无法检测部件的环境适应性结论。还将理论 模拟 结果与模拟试验测量结果进行对比分析，计算结果与实测结果有较好 地 一致性，验证了数值模
13、型和 模拟 方法的有效性 14。 李玉龙，朱正然，刘汉成基于UGNX 的电脑机箱跌落特性分析，通过跌落分析的动静态转换 等方法，得出预测产品在整个生命周期的可靠性 21。 军事医学科学院卫生装备研究所使用美国 MSC公司的 MSC. Dytran和 MSC. Patran 软件对有缓冲材料保护的有机玻璃药瓶的医疗箱模型进行了空投跌落 模拟 ，进行了应力、变形分析计算，并将分析结果与试验结果做了比较，得出应用MSC. Dytran 的动力学分析结果与 实际情况基本符合。 还有另外方面的成果等。 2 结语 缓冲包装对运输，安全等各方面都有很大的作用，其影响因素也很多，如碰撞，振动，化学，物理等。而
14、各种缓冲材料起到的作业也不尽相同。通过这种仿真 模拟实验， 我们将会看到更多更加接近 现实的各种在碰撞中，缓冲包装所起到的作用。 这些 对于实际工程中的选材和 缓冲包装 设计等都具有十分重要的意义。 参考文献： 1何为宏，卢立新 . 基于 PRO Mechanica 的木质托盘结构联结系数分析 J .东北林业大学学报 ,2009,11(13):54-59. 2陈满儒，白小兰，童晟 . 浅析 ANSYS 在包装结构优化设计中的应用 J .包装与食品机械 ,2007， 25(4):121-123. 3吴彦颖，郑全成 .运输包装件跌落冲击响应仿真分析 J.中国包装工业，2007(5)： 79-81.
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