鼠標的緩沖包裝設計及有限元分析【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設計文獻綜述</b></p><p>　　機械設計制造及其自動化</p><p>　　鼠標的緩沖包裝設計及有限元分析</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　包裝產(chǎn)品跌落沖擊加速度是產(chǎn)品跌落時發(fā)生損壞的主要因素。當?shù)錄_擊加速度大于產(chǎn)品脆值

2、時，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的沖擊加速度是保護產(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的產(chǎn)品進行跌落仿真模擬，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)品在運輸過程中，損壞的主要原因是沖擊與振動。運輸過程中沖擊或振動通過包裝系統(tǒng)傳遞給產(chǎn)品的動態(tài)力，加速度，位移，是緩沖包裝設計的重要依據(jù)。為了避免損壞的發(fā)生，事先需對包裝進行測試[1]。因此有必要對包裝件作跌落仿真分析，進而完善產(chǎn)品內(nèi)部結構

4、及緩沖包裝的優(yōu)化設計。對于跌落試驗仿真的理論比較多，大致都是針對產(chǎn)品驗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)的結構設計和產(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仿真進行分析，綜合性的分析緩沖包裝在運輸中對產(chǎn)品的影響。</p><p>　　1 運輸過程中的緩沖包裝</p><p>　　目前在產(chǎn)品的緩沖包裝

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

6、準確可靠。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)。計算機輔助設計技術在緩沖包裝領域中，必將有更為廣闊的應用前景。 基于系統(tǒng)分析的緩沖包裝設計。但是，在以往的緩沖包裝系統(tǒng)開發(fā)過程中，由于開發(fā)人員關注更多的是包裝系統(tǒng)的設計本身，忽略了其它幾個階段，特別是系統(tǒng)分析階段的重要性，以致因不合理的包裝設計所造成的資源浪費是很大的。</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，并力求開發(fā)出一個最優(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性、經(jīng)濟性、社會適應性和生態(tài)特性，這既是緩沖包裝系統(tǒng)的總體目標，也是緩沖包裝設計理論的發(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量輕、強度高、承重大等優(yōu)點，可以廣泛用于電子電工產(chǎn)品、機電產(chǎn)品、精密儀器、家用電器、易碎物品的緩沖包裝和運輸包裝。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的產(chǎn)品進行跌落仿真模擬[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、保護性能好、適應性廣、價美物廉等。但是也存在著體積大，廢棄物不能自然風化，焚燒處理會產(chǎn)生有害氣體等缺點。在環(huán)境污染嚴重、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。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)學上描述為：脆值G是跌落沖擊時的臨界加速度。因為脆值G是無量綱的純數(shù)，所以將最大加速度a表達為重力加速度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、合理的緩沖包裝設計必須以流通環(huán)境條件為外因，產(chǎn)品脆值為內(nèi)因，通過緩沖包裝設計達到內(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)品脆值標準。每個國家所設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、密度、結構)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)品本身的力學屬性，是它抵抗動力沖擊的能力。當作用在產(chǎn)品上的沖擊力超過某個極限時產(chǎn)品的結構就會產(chǎn)生破損或功能失效，這就是所說的產(chǎn)品脆值。當達到或超過這個脆值，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)品應在其脆值以下進行流通。為此，引入一個安全系數(shù)；這是一個大于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)品進行破壞性的跌落沖擊試驗，從而得到各產(chǎn)品脆值的標準量值。由于產(chǎn)品質量有所不同，以及試驗方法并未完全統(tǒng)一，故測試結果不盡相同，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)品質量標準的一項指標，也是包裝結構設計中一項重要的基本參數(shù)。脆值的確定，必

14、須對產(chǎn)品進行破壞性的跌落沖擊試驗，以獲得有關試驗數(shù)據(jù)，再經(jīng)過適當?shù)臄?shù)據(jù)處理而得到。脆值試驗通常分兩種，即沖擊機試驗和緩沖跌落試驗。前者精度較高，但操作及設備要求較高；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)驗估算法，它避免了對產(chǎn)品進行破壞性試驗，可有效地保護產(chǎn)品，特別是價值昂貴的產(chǎn)品。它是對各種破損事故進行大量的調查和分析，在進行數(shù)理統(tǒng)計時，常常可找到該產(chǎn)品的某些極限的運動學或動力學特征，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。我們應用有限元理論和有限元方法，對運輸包裝件進行跌落試驗數(shù)值模擬分析，計算得到不同工況下的沖擊力學響應，并結合以往的環(huán)境試驗結果，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)境適應性結論[7]。還將理論模擬結果與模擬試驗測量結果進行對比分析，計算結果與實測結果有較好地一致性，

16、驗證了數(shù)值模型和模擬方法的有效性。還比如在科學的分析下用有限元分析工具ANSYS軟件，對空調采用蜂窩紙板包裝，進行了跌落模擬，得出包裝件的最大主應力不超過緩沖材料的強度極限，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，其仿真分析結果與實驗結果基本吻合，驗證了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)、脆值等基礎上;采用瓦楞紙板作為緩沖材料進行了全瓦楞紙板的緩沖包裝設計,并對所作的結構設計與材質選擇進行校核,證明此緩沖包裝設計[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，應考慮重新設計產(chǎn)品中的關鍵件結構，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計緩沖材料的結構和確定其最佳尺寸；</p><p>　　(4). 設計并制作原型包裝結構；</p><p>　　(5).按國家標準規(guī)定或客戶要求的條件，試驗評價原型包裝。</p><p>　　(6).如果試驗結果與設計的預期結果不一致，重復上述步驟，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，李厚民在對空調包裝結構仿真分析中，用ANSYS軟件 進行跌落得出包裝的最大應力不能夠超過緩沖材料的強度極限，因為緩沖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，對運輸包裝件進行跌落試驗數(shù)值模擬分析，計算得到不同工況下的沖擊力學響應，并結合以往的環(huán)境試驗結果，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)境適應性結論。還將理論模

20、擬結果與模擬試驗測量結果進行對比分析，計算結果與實測結果有較好地一致性，驗證了數(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的電腦機箱跌落特性分析，通過跌落分析的動靜態(tài)轉換等方法，得出預測產(chǎn)品在整個生命周期的可靠性[21]。</p><p>　　軍事醫(yī)學科學院衛(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的有機玻璃藥瓶的醫(yī)療箱模型進行了

21、空投跌落模擬，進行了應力、變形分析計算，并將分析結果與試驗結果做了比較，得出應用MSC. Dytran的動力學分析結果與實際情況基本符合。還有另外方面的成果等。</p><p><b>　　2 結語</b></p><p>　　緩沖包裝對運輸，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，化學，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、實驗，我們將會看到更多更加接近現(xiàn)實的各種在碰撞中，緩沖包裝所起到的作用。這些對于實際工程中的選材和緩沖包裝設計等都具有十分重要的意義。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1]何為宏，盧立新. 基于PRO／Mechanica 的木質托盤結構聯(lián)結系數(shù)分析［J］.東北林業(yè)大學學報,2009,11(13):54-59.</p>

23、<p>　　[2]陳滿儒，白小蘭，童晟. 淺析ANSYS 在包裝結構優(yōu)化設計中的應用［J］.包裝與食品機械,2007，25(4):121-123.</p><p>　　[3]吳彥穎，鄭全成.運輸包裝件跌落沖擊響應仿真分析[J].中國包裝工業(yè)，2007(5)：79-81.</p><p>　　[4]郝喜海，胡協(xié)方，林益平，曾曉紅. 蜂窩紙箱運輸包裝系數(shù)設計探討[J].包裝工程,2

24、004（6）:44-45.</p><p>　　[5]彭國勛. 運輸包裝[M].北京:印刷工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[6]劉志鵬，陳斌龍，馬爽.基于數(shù)據(jù)庫和模型庫的緩沖包裝設計支持系統(tǒng)[J].包裝工程，2005(18)：11-12.</p><p>　　[7]應祖光，王振林，奚德昌.緩沖包裝設計的靈敏度分析[M]. 北京:印刷工業(yè)出版社，2006.&

25、lt;/p><p>　　[8] 祖景平，薛澄岐.手機跌落破壞仿真分析研究[J].中國制造業(yè)信息化,2007(6)：30-33.</p><p>　　[9] 蘇遠，湯泊森.緩沖包裝理論基礎與應用[M]. 北京:化學工業(yè)出版社.,2009.</p><p>　　[10]高志遠，白修宇，趙大煒，楊冬.彈載電子設備的緩沖包裝設計及包裝箱設計[M]. 北京:印刷工業(yè)出版社，200

26、7.</p><p>　　[11]彭國勛.運輸包裝[M].北京:印刷工業(yè)出版社，2007. </p><p>　　[12]山靜民.包裝測試技術[M].北京:印刷工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[13]王瑞棟.包裝動力學與結構設計[M].重慶:重慶大學出版社，2006.</p><p>　　[14]張偉，郭彥峰.瓦楞紙箱運輸包裝系統(tǒng)

27、設計[J].中國包裝工業(yè)，2008(2): 44-45.</p><p>　　[15]朱若燕，李厚民.空調包裝結構的跌落仿真分析[J].包裝工程，2006，27(6)：4-5.</p><p>　　[16]陸維生，馮志華，鄒甲軍.基于ANSYS／LS-DYNA的PCB板跌落仿真[M].蘇州:蘇州大學學報，2006.</p><p>　　[17]李鵬忠，張為民.手機環(huán)

28、境試驗自由跌落的CAE仿真[J].制造業(yè)自動，2007(8)：15-18.</p><p>　　[18]李玉龍，朱正然，劉漢成.基于UGNX的電腦機箱跌落特性分析[M].河南:河南科技大學學報2005.</p><p>　　[19]郝喜海，胡協(xié)方，林益平，曾曉紅. 蜂窩紙箱運輸包裝系數(shù)設計探討[J].包裝工程，2006(2)5-6.</p><p>　　[20]金蕭

29、明.緩沖包裝設計的系統(tǒng)優(yōu)化問題[J].中國包裝工程，2007(19):34-37.</p><p>　　[21]張克宏，杜俊娟，夏業(yè)鮑，袁燕.液晶顯示器的全瓦楞紙板緩沖包裝設計包裝與食品機械包裝與食品機械[J].2009(6)：6-7.</p><p>　　[22] Mechanical selection of foams and honeycombsused for packaging