基于有限元仿真的游戏机运输包装设计

尹 畅 王剑菲

(1、哈尔滨商业大学轻工学院包装工程专业,黑龙江 哈尔滨150028 2、哈尔滨商业大学设计艺术学院,黑龙江 哈尔滨150028)

1 概述

随着电子行业的发展, 小型电子设备越来越受到年轻人的追捧,掌上游戏机越来越受欢迎。然而,很多电子产品在缓冲运输包装设计上有着很高的要求[1-2]。家电和电子产品在装卸、运输和搬运过程中, 不可避免的会受到振动和冲击等各种流通环境因素的影响致使产品损坏。为了防止家电和电子产品在运输、装卸和搬运过程中发生损坏, 必须对家电产品进行缓冲运输包装设计,从而减少产品运输造成的损失。

目前电子产品的缓冲及运输包装设计, 主要采用经验设计后再对包装件进行跌落试验进行验证,存在试验成本高、对产品的破环性强、设计周期长、过度包装等问题[3-4]。本文根据游戏机产品的物性及流通环境分析,首先通过缓冲动力学计算,设计缓冲衬垫的结构,然后采用有限元跌落仿真分析,验证包装结构的缓冲防护性能,既可缩短设计周期、节省试验成本、避免产品的试验破坏,又方便对产品包装进行优化设计,避免产品过度包装。

2 包装件三维建模

游戏机包装件由游戏机产品、缓冲衬垫、中包装盒、运输包装箱组成。缓冲衬垫包括中衬垫、右侧衬垫和左侧衬垫组成,缓冲衬垫材料选用EPE。包装盒材料选用ABS 塑料, 利用三维模型软件Solidworks 完成的缓冲衬垫及包装盒三维模型见图1。运输包装箱由0201 箱和隔板组成,材料采用三层瓦楞纸板,其三维模型见图2。

图1 缓冲衬垫与包装盒三维模型

图2 运输包装箱三维模型

3 包装件有限元仿真分析

3.1 包装件跌落仿真分析

在进行仿真分析前,需要建好有限元模型,然后将模型导入SOLIDWOKS 中的Simulation,导入后续步骤如下:

3.1.1 跌落仿真参数设置

在设置选项中可以自定义设定跌落高度、跌落重心点、目标引力及方向、接触阻尼等(如图3)。

图3 跌落测试设置

3.1.2 网格划分

选择生成网格实体并设定网格密度以及网格参数, 选择冲击后求解时间,见图4。

图4 缓冲包装网格划分

3.1.3 跌落仿真结果与分析

为模拟游戏机在运输中的碰撞冲击过程, 进行计算机仿真跌落测试,分别以角跌落、棱跌落、面跌落的方式进行跌落分析。从人体工学角度来讲,选择500mm 的跌落高度;而游戏机在组装时的工作台的高度为1000mm, 为考虑此高度的跌落情况,对1000mm 的跌落高度也进行分析。

图5 和图6 为包装件在不同高度下的面跌落仿真结果。从图5 可知,500mm 跌落时所受最大应力为1.926 pa,ABS 包装盒的屈服强度为50Mpa,EPE 缓冲衬垫的屈服强度为78Mpa[5-6],而游戏机的屈服强度为300Mpa,跌落所受最大应力均小于各材料的屈服强度,所以在500mm 面跌落是包装件和游戏机都是安全的。

图5 500mm 面跌落测试应力云图

图6 1000mm 面跌落测试应力云图

从图6 可知, 跌落时所受最大应力为2.586pa, 同理在1000mm 面跌落是包装件和游戏机都是安全的。

图7、图8 是包装件在不同高度下棱跌落的仿真结果。从图7 知,500mm 高度棱跌落所受的最大应力为3.719pa, 在500mm棱跌落是包装件和游戏机都是安全的。

图7 500mm 棱跌落测试应力云图

图8 1000mm 棱跌落测试应力云图

从图8 知,1000mm 高度棱跌落所受的最大应力为5.784 pa,超过了ABS 包装盒的屈服强度的50Mpa,但从应力云图中可知,ABS 包装盒只有在棱处会有轻微的划痕或破损,ABS 包装盒不会造成太大的损坏, 跌落所受最大应力均小于EPE 缓冲衬垫和游戏机的屈服强度,所以在1000mm 棱跌落游戏机是安全的。图9、图10 是包装件在不同高度下角跌落的仿真结果。从图9 知,500mm 高度角跌落所受的最大应力为1.184 pa, 同理在500mm角跌落游戏机是安全的。

图9 500mm 角跌落测试应力云图

图10 1000mm 角跌落测试应力云图

从图10 知,1000mm 高度角跌落所受的最大应力为1.810 pa,同理在1000mm 角跌落游戏机是安全的。

图11 所示为包装件在跌落过程中易损点的加速度变化曲线, 从跌落实验中可知在Y 方向的加速度曲线在整个跌落过程中所受到的冲击最大。

加速度响应最大值一旦超过产品脆值,产品就容易破损。由图11 可知,最大约为83g,小于游戏机的90g,因此该缓冲衬垫设计合理。

图11 游戏机包装件跌落过程加速度曲线

3.2 包装件静压仿真分析

3.2.1 选取受力面,可以添加载荷、扭矩等,也可以设定力的方向,见图12。

图12 载荷设置

3.2.2 生成网格

选择生成网格实体并设定网格密度以及网格参数,见图13。

图13 网格生成设置

3.2.3 静压仿真结果分析

根据所算载荷4810.63N 施加静压力于开口箱面, 用夹具夹持底面。静压仿真测试结果见图14。

图14 静雅应变云图

从图14 可知,纸箱被压最大形变量为1.05 mm,最小形变量仅为1.0 mm,这样的变形量对于524mm×279mm×299mm 的纸箱来说几乎可以忽略不计;纸箱的屈服强度为100Mpa,而纸箱受到的最大压强仅为758600pa,完全满足强度要求;因此,该瓦楞纸箱设计合理,满足包装件堆码强度要求。

4 结论

通过对国内外电子产品包装现状分析以及包装发展趋势为主要指导,本文设计出符合实际要求的游戏机的运输包装结构,综合考虑了电子产品包装的设计原则,对游戏机的物性,流通环境,防护要求以及包装材料进行了全面的分析,对于电子产品的运输包装设计有着一定的参考意义。