鼠標(biāo)的緩沖包裝設(shè)計(jì)及有限元分析【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　鼠標(biāo)的緩沖包裝設(shè)計(jì)及有限元分析</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　包裝產(chǎn)品跌落沖擊加速度是產(chǎn)品跌落時(shí)發(fā)生損壞的主要因素。當(dāng)?shù)錄_擊加速度大于產(chǎn)品脆值

2、時(shí)，產(chǎn)品將發(fā)生致命損傷。因而通過增加緩沖包裝來減小跌落時(shí)的沖擊加速度是保護(hù)產(chǎn)品的重要措施。將使用蜂窩紙板材料作為緩沖包裝，用FEMB和LS-DYNA有限元分析軟件分別對無包裝和有包裝時(shí)的產(chǎn)品進(jìn)行跌落仿真模擬，分析在有蜂窩紙板包裝條件下對沖擊的緩沖作用，使產(chǎn)品跌落后所受的沖擊加速度在產(chǎn)品所能承受的范圍之內(nèi)，從而驗(yàn)證了使用蜂窩紙板作為緩沖包裝的重要性和必要性，并修改緩沖包裝參數(shù)，得到厚度的緩沖包裝最優(yōu)值。</p><p&

3、gt;　　關(guān)健詞：緩沖包裝；脆值；蜂窩紙板；有限元分析；最優(yōu)值</p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中，損壞的主要原因是沖擊與振動(dòng)。運(yùn)輸過程中沖擊或振動(dòng)通過包裝系統(tǒng)傳遞給產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)力，加速度，位移，是緩沖包裝設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。為了避免損壞的發(fā)生，事先需對包裝進(jìn)行測試[1]。因此有必要對包裝件作跌落仿真分析，進(jìn)而完善產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4、及緩沖包裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于跌落試驗(yàn)仿真的理論比較多，大致都是針對產(chǎn)品驗(yàn)證有限元理論對分析跌了問題的有效性和可靠性，但往往在包裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品脆弱性的仿真分析比較少見。為此我們用有限元理論和FEMB和LS-DYNA對儀器的這類包裝件跌落沖擊響應(yīng)仿真進(jìn)行分析，綜合性的分析緩沖包裝在運(yùn)輸中對產(chǎn)品的影響。</p><p>　　1 運(yùn)輸過程中的緩沖包裝</p><p>　　目前在產(chǎn)品的緩沖包裝

5、設(shè)計(jì)過程中，緩沖材料的選擇和尺寸計(jì)算不僅須查找很多圖、表，而且需要大量時(shí)間來計(jì)算、分析、比較，最終選出合理的緩沖包裝方案。這種傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方式因其過程繁復(fù)、方案選擇較難及較大程度地依賴設(shè)計(jì)人員的自身經(jīng)驗(yàn)等不足之處，在一定程度制約了緩沖包裝設(shè)計(jì)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)模擬及信息技術(shù)迅速滲透到包裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域，使得計(jì)算機(jī)輔助緩沖包裝設(shè)計(jì)和分析成為可能。將計(jì)算機(jī)引入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)可使人們從以往繁雜的手工設(shè)計(jì)中解放出來，顯著縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，而且計(jì)算結(jié)果

6、準(zhǔn)確可靠。因此各主要工業(yè)國家都投入大量人力、物力開發(fā)各種智能包裝系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在緩沖包裝領(lǐng)域中，必將有更為廣闊的應(yīng)用前景。 基于系統(tǒng)分析的緩沖包裝設(shè)計(jì)。但是，在以往的緩沖包裝系統(tǒng)開發(fā)過程中，由于開發(fā)人員關(guān)注更多的是包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本身，忽略了其它幾個(gè)階段，特別是系統(tǒng)分析階段的重要性，以致因不合理的包裝設(shè)計(jì)所造成的資源浪費(fèi)是很大的。</p><p>　　為了最大限度地減少緩沖包裝系統(tǒng)開發(fā)過程中的資

7、源浪費(fèi)，并力求開發(fā)出一個(gè)最優(yōu)的包裝系統(tǒng)，必須按系統(tǒng)工程的規(guī)律去開發(fā)緩沖包裝系統(tǒng)，使之具有最佳的保護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)適應(yīng)性和生態(tài)特性，這既是緩沖包裝系統(tǒng)的總體目標(biāo)，也是緩沖包裝設(shè)計(jì)理論的發(fā)展方向。選擇何種緩沖材料來防止產(chǎn)品發(fā)生致命損壞是緩沖包裝研究的重點(diǎn)問題。蜂窩紙板是一種粘彈性緩沖包裝材料，具有優(yōu)良的緩沖防振性能和質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、承重大等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛用于電子電工產(chǎn)品、機(jī)電產(chǎn)品、精密儀器、家用電器、易碎物品的緩沖包裝和運(yùn)輸包裝。我們用F

8、EMB和LS-DYNA有限元分析軟件分別對無包裝和有包裝時(shí)的產(chǎn)品進(jìn)行跌落仿真模擬[2][3]。分在有蜂窩紙板包裝條件下對沖擊的緩沖作用，使產(chǎn)品跌落后所受的沖擊加速度在產(chǎn)品所能承受的范圍之內(nèi)，從而驗(yàn)證了使用蜂窩紙板作為緩沖包裝的重要性和必要性，并修改緩沖包裝參數(shù)，得到最合適厚度的緩沖包裝。</p><p>　　1.1緩沖包裝的現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)今的緩沖包裝以泡沫為主，它有的多方面的

9、好處，如重量輕、易加工、保護(hù)性能好、適應(yīng)性廣、價(jià)美物廉等。但是也存在著體積大，廢棄物不能自然風(fēng)化，焚燒處理會(huì)產(chǎn)生有害氣體等缺點(diǎn)。在環(huán)境污染嚴(yán)重、自然資源匱乏的情況下泡沫塑料對環(huán)境的危害引起人們的極大重視。隨著科技的發(fā)展，人們對有種要求的提升，使得泡沫也慢慢的離開主線。蜂窩紙板隨之被人們越來越接受。蜂窩紙板的強(qiáng)度和剛度高，材耗少，重量輕、內(nèi)芯密度幾乎可以與發(fā)泡塑料相當(dāng)。蜂窩紙板由于內(nèi)芯中空充滿空氣且互不流通，因此具有良好的防震、隔音性能適

10、用于精密儀器、儀表、家用電器及易碎物品的運(yùn)輸包裝而且無危害。</p><p><b>　　1.2 脆值</b></p><p>　　脆值是指產(chǎn)品不發(fā)生物理的或功能的損傷所能承受的沖擊極限，用G表示。在數(shù)學(xué)上描述為：脆值G是跌落沖擊時(shí)的臨界加速度。因?yàn)榇嘀礕是無量綱的純數(shù)，所以將最大加速度a表達(dá)為重力加速度g的倍數(shù)，用Gm表示，即Gm=a/g，Gm也稱作產(chǎn)品最大加速度。

11、合理的緩沖包裝設(shè)計(jì)必須以流通環(huán)境條件為外因，產(chǎn)品脆值為內(nèi)因，通過緩沖包裝設(shè)計(jì)達(dá)到內(nèi)因和外因的統(tǒng)一，從而使商品獲得最佳緩沖效果，同時(shí)使包裝成本最低。目前還沒有條件搜集和整理各類產(chǎn)品脆值的測試數(shù)據(jù)，也更沒有我國自己的產(chǎn)品脆值標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)國家所設(shè)置的脆性也有各有差別[6]。包裝件在流通過程中，由于包裝不良而造成的產(chǎn)品價(jià)值損失，都稱為破損。破損的形式很多，如薄壁產(chǎn)品的變形，易碎產(chǎn)品的破裂、儀器的失靈：容器泄漏等。破損是一種流通事故，它一方面受產(chǎn)品

12、的固有屬性(材質(zhì)、密度、結(jié)構(gòu))的支配，另一方面又受外部流通環(huán)境的影響。而破損用量值即為脆值。 </p><p>　　此可知，產(chǎn)品脆值反映的是產(chǎn)品本身的力學(xué)屬性，是它抵抗動(dòng)力沖擊的能力。當(dāng)作用在產(chǎn)品上的沖擊力超過某個(gè)極限時(shí)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生破損或功能失效，這就是所說的產(chǎn)品脆值。當(dāng)達(dá)到或超過這個(gè)脆值，產(chǎn)品的破損即不可避免。為使產(chǎn)品確保不發(fā)生破損，產(chǎn)品應(yīng)在其脆值以下進(jìn)行流通。為此，引入一個(gè)安全系數(shù)；這是一個(gè)大于l的數(shù)，

13、將脆值除以安全系數(shù)，即得許用脆值。產(chǎn)品在許用脆值以下的情況下流通，可確保安全。 </p><p>　　脆值的確定，一般是對產(chǎn)品進(jìn)行破壞性的跌落沖擊試驗(yàn)，從而得到各產(chǎn)品脆值的標(biāo)準(zhǔn)量值。由于產(chǎn)品質(zhì)量有所不同，以及試驗(yàn)方法并未完全統(tǒng)一，故測試結(jié)果不盡相同，各國制定的產(chǎn)品脆值量值也不完全一樣。 </p><p>　　脆值是產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)指標(biāo)，也是包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的基本參數(shù)。脆值的確定，必

14、須對產(chǎn)品進(jìn)行破壞性的跌落沖擊試驗(yàn)，以獲得有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理而得到。脆值試驗(yàn)通常分兩種，即沖擊機(jī)試驗(yàn)和緩沖跌落試驗(yàn)。前者精度較高，但操作及設(shè)備要求較高；后者操作簡單易行，但測試精度較低。除了用儀器測試脆值外，還可用經(jīng)驗(yàn)估算法，它避免了對產(chǎn)品進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，可有效地保護(hù)產(chǎn)品，特別是價(jià)值昂貴的產(chǎn)品。它是對各種破損事故進(jìn)行大量的調(diào)查和分析，在進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)時(shí)，常?？烧业皆摦a(chǎn)品的某些極限的運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)特征，并由此而得到該產(chǎn)品的脆值

15、。</p><p>　　1.3包裝件跌落仿真</p><p>　　為了更好的利用緩沖包裝，合理的安排如何包裝。我們應(yīng)用有限元理論和有限元方法，對運(yùn)輸包裝件進(jìn)行跌落試驗(yàn)數(shù)值模擬分析，計(jì)算得到不同工況下的沖擊力學(xué)響應(yīng)，并結(jié)合以往的環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果，得出了緩沖包裝的可靠性和包裝件內(nèi)部無法檢測部件的環(huán)境適應(yīng)性結(jié)論[7]。還將理論模擬結(jié)果與模擬試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有較好地一致性，

16、驗(yàn)證了數(shù)值模型和模擬方法的有效性。還比如在科學(xué)的分析下用有限元分析工具ANSYS軟件，對空調(diào)采用蜂窩紙板包裝，進(jìn)行了跌落模擬，得出包裝件的最大主應(yīng)力不超過緩沖材料的強(qiáng)度極限，緩沖襯墊起到了緩沖效果。還有FEMB和LS-DYNA有限元軟件同樣可以使用[8]。</p><p>　　基于LS-DYNA的跌落仿真，其仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了LS-DYNA對跌落沖擊的有效性[9] [10]。以某品牌17英寸液

17、晶顯示器作為研究對象,在確定其流通環(huán)境、基本參數(shù)、脆值等基礎(chǔ)上;采用瓦楞紙板作為緩沖材料進(jìn)行了全瓦楞紙板的緩沖包裝設(shè)計(jì),并對所作的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材質(zhì)選擇進(jìn)行校核,證明此緩沖包裝設(shè)計(jì)[11]。緩沖包裝跌落仿真的步驟主要分為以下幾步，</p><p>　　(1).確定產(chǎn)品脆值；</p><p>　　(2).如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品脆值偏低，應(yīng)考慮重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品中的關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)，提高其脆值；</p>

18、<p>　　(3).根據(jù)產(chǎn)品脆值和緩沖材料特性設(shè)計(jì)緩沖材料的結(jié)構(gòu)和確定其最佳尺寸；</p><p>　　(4). 設(shè)計(jì)并制作原型包裝結(jié)構(gòu)；</p><p>　　(5).按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或客戶要求的條件，試驗(yàn)評價(jià)原型包裝。</p><p>　　(6).如果試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果不一致，重復(fù)上述步驟，直到滿意為止[12]。</p><p&g

19、t;　　1.4 緩沖包裝跌落仿真現(xiàn)狀</p><p>　　朱若燕，李厚民在對空調(diào)包裝結(jié)構(gòu)仿真分析中，用ANSYS軟件 進(jìn)行跌落得出包裝的最大應(yīng)力不能夠超過緩沖材料的強(qiáng)度極限，因?yàn)榫彌_襯墊起到了緩沖效效果[13]。吳彥穎用有限元理論和有限元方法，對運(yùn)輸包裝件進(jìn)行跌落試驗(yàn)數(shù)值模擬分析，計(jì)算得到不同工況下的沖擊力學(xué)響應(yīng)，并結(jié)合以往的環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果，得出了緩沖包裝的可靠性和包裝件內(nèi)部無法檢測部件的環(huán)境適應(yīng)性結(jié)論。還將理論模

20、擬結(jié)果與模擬試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有較好地一致性，驗(yàn)證了數(shù)值模型和模擬方法的有效性[14]。李玉龍，朱正然，劉漢成基于UGNX的電腦機(jī)箱跌落特性分析，通過跌落分析的動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換等方法，得出預(yù)測產(chǎn)品在整個(gè)生命周期的可靠性[21]。</p><p>　　軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所使用美國MSC公司的MSC. Dytran和MSC. Patran軟件對有緩沖材料保護(hù)的有機(jī)玻璃藥瓶的醫(yī)療箱模型進(jìn)行了

21、空投跌落模擬，進(jìn)行了應(yīng)力、變形分析計(jì)算，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果做了比較，得出應(yīng)用MSC. Dytran的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果與實(shí)際情況基本符合。還有另外方面的成果等。</p><p><b>　　2 結(jié)語</b></p><p>　　緩沖包裝對運(yùn)輸，安全等各方面都有很大的作用，其影響因素也很多，如碰撞，振動(dòng)，化學(xué)，物理等。而各種緩沖材料起到的作業(yè)也不盡相同。通過這種仿真模擬

22、實(shí)驗(yàn)，我們將會(huì)看到更多更加接近現(xiàn)實(shí)的各種在碰撞中，緩沖包裝所起到的作用。這些對于實(shí)際工程中的選材和緩沖包裝設(shè)計(jì)等都具有十分重要的意義。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]何為宏，盧立新. 基于PRO／Mechanica 的木質(zhì)托盤結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)系數(shù)分析［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,11(13):54-59.</p>

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