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案例-智能手机缓冲包装优化设计

1年前浏览4817

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。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。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。

(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。




来源:机电君
SpaceClaim振动碰撞材料ANSYS
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-07-21
最近编辑:1年前
ErNan.Chen🍃
硕士 | CAE工程师 即物而穷其理
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