案例-智能手机缓冲包装优化设计

本次分享案例，完全是基于ANSYS-Workben进行的，选择了内置的建模软件，以及LS_DYNA。

在现有手机缓冲包装结构的基础上，选择不同材质和厚度的缓冲衬垫材料，进行跌落仿真。仿真结果表明：所选制作缓冲衬垫材料中最优的是定量为350ｇ/m^2、厚度为0.415ｍｍ的白纸板，其对应的手机屏幕最大冲击加速度为136.79ｍ/s^2。

１　产品分析

１．１　产品参数

本文的仿真对象智能手机如图１ 所示，其长163.7ｍｍ、宽76.5ｍｍ、厚8.8ｍｍ、净重203ｇ。手机包装盒如图２所示，其长177ｍｍ、宽90ｍｍ、高60.4ｍｍ。

１．２　产品脆值选取

脆值是产品经受振动和冲击时表示其强度的定量指标，又称产品的易损度。脆值的计算方法有振动模型估算法、冲击响应谱法等，脆值的确定方法有随机振动实验法、扫荡振动实验法等。通过查阅资料以及对比同类产品的脆值，选取手机的脆值[Ｇ]=47ｇ。

２　流通环境分析

受流通环境的影响，包装件发生坠落冲击损伤的情形包括抛掷、码垛坍塌、吊挂掉落以及运输过程中车辆过大的加速度、周期性的晃动或摆动，还包括包装堆垛松散时，产品与车辆、其他货物和包装人员间的冲击损伤。考虑到人工操作比机械更容易出现跌落冲击的现象，本文仿真流通环境中的跌落选择人工自然跌落。

３　建模仿真

根据所选手机、缓冲衬垫及手机包装盒的参数，利用ANSYS的SpaceClaim模块建立仿真模型，如图３所示。包装外盒、手机屏幕、手机壳体、缓冲衬垫等部件的材料参数设置见表１。

图３　手机包装盒仿真模型

将缓冲衬垫１与盒盖、缓冲衬垫２与托盘及盒底之间的接触设置为摩擦方式（动摩擦因数0.1，静摩擦因数0.2，黏性阻尼系数0.1），盒内其他模型之间的接触设置为绑定模式，如图４所示。建模完成后采用四面体网格划分，如图５所示，划分的节点和单元数量见表２。

(笔者有话：接触类型的选择以及建立，可以参考公 众 号以往的教学文章；本次分享的网格绘制也较为马虎，可以进行进一步的优化。)

图４　接触设置

图５　网格划分

４　仿真结果与分析

进入LS-Dyna坠落测试向导，将跌落高度设置为1.5ｍ，设置不同的跌落角度，通过创建局部最大探针，仿真得到手机屏幕的最大加速度值，见表３。所有跌落情况下，手机屏幕的最大加速度值均小于手机的脆值；当所选缓冲材料定量为400g／ｍ^２时，其缓冲效果最优，且白纸板的缓冲效果优于灰底白纸板；面跌落更易造成手机屏幕的损坏，其原因是角、棱跌落时手机盒和缓冲衬垫能产生较大变形，从而吸收掉较多的冲击能量。

手机跌落过程中某时刻应力分布如图６所示，不同缓冲包装的手机最大加速度随时间变化曲线（加速度较大部分）如图７所示。由图６可知，跌落中手机屏幕处应力较小，缓冲衬垫有效保护了屏幕。由图７可知，碰撞后程（文中未截取）的加速度较小，不会对手机产生损坏，碰撞前程（0-5mｓ）的加速度虽然较大，但是加速度衰减迅速，本文设计的不同规格缓冲衬垫均能对手机起到很好的保护作用。

图６　手机跌落过程中某时刻应力分布

图７　不同缓冲包装的手机最大加速度随时间变化曲线

不同定量的纸板价格见表４，相同重量的纸板，定量越小，生产的缓冲衬垫越多，所以综合成本和缓冲效果考虑，选择350定量的白纸板制作缓冲衬垫是最优的。

5 总结

有限元分析在智能手机缓冲衬垫优化设计上的运用，减少了测试时间，缩短了手机设计周期，为智能手机缓冲包装的进一步优化提供了参考依据。