基于FEM和SRS的薄型烟机缓冲包装设计研究

发布时间：2020-07-12 02:57

【摘要】：厨电产品在物流中承受着各种冲击造成的损坏,缓冲包装作为吸收冲击能量、为产品提供保护的技术,倍受人们的重视。为了研究产品破损机理、评价包装防护性能、降低产品破损率、降低包装成本、提升材料利用率,本文以薄型烟机为研究对象展开了对厨电产品缓冲包装设计及性能分析的研究。在缓冲包装设计的过程中,最核心的是产品冲击脆值的确定。综合考虑产品脆值及包装材料的缓冲特性,可实现对产品缓冲包装结构的设计。为了节省测试成本,一般通过跌落仿真进行缓冲包装结构的初级验证。在缓冲包装结构合理的情况下,再进行实验室跌落测试验证,根据得到的验证结果改进缓冲包装结构。本文首先采用经验估算法、非线性缓冲包装系统估算法、使用缓冲材料的冲击脆值试验方法、有限元法(FEM)脆值确定方法和冲击响应谱法(SRS)脆值确定方法得到了产品的脆值,分别为108 g、147 g、116 g、120 g、127 g。经验估算法和非线性缓冲包装系统估算法虽然计算时间短,但是误差太大,其他三种方法虽然存在测试成本较大或设计周期较长的不足,但计算结果是可靠的,根据计算结果将薄型烟机的冲击脆值圆整为120 g。其次,依据动态冲击试验方法,得到了EPE和EPS的缓冲性能曲线,根据薄型烟机的产品特点、包装需求、缓冲材料特性,进行了薄型烟机缓冲包装结构的设计。为了对缓冲包装结构进行验证,首先借助有限元软件ANSYS Workbench对薄型烟机包装件在2-3-5角、3-5棱和3面三种工况的跌落过程进行了仿真。求解器追踪的产品包装件能量变化符合能量守恒定律和动能先增后减的逻辑,且产品速度、加速度变化显著的方向与跌落方向一致,保证了仿真结果的合理性。通过对产品包装件及零件的最大位移量、等效应力、等效应变的变化情况进行分析,得到外壳是产品最易发生变形的零件,产品的最大等效应力也分布于零件外壳上,面跌落时最大等效应力大于其他两个工况,外壳上的等效应变接近于自身材料的屈服应变,此时缓冲衬垫虽然能够为产品提供保护,但产品依然存在损坏的风险。其次通过跌落测试验证了包装件在这三种工况下的强度,试验得到产品在2-3-5角、3-5棱两种跌落工况下的是安全的,在3面跌落工况下产品的最大加速度超出了120 g,且加速度冲击响应谱高于得到产品脆值时的加速度冲击响应谱(产品的S_c值曲线),因此产品会发生变形。产品的结构缺陷和缓冲结构的设计不足导致了薄型烟机的跌落变形,为了减少蜗轮、蜗壳、电机跌落时产生的冲击能量,在蜗壳与滤网的间隙处设计衬垫。通过对改进后的包装件进行跌落测试,得到产品最大加速度为70 g,远小于产品的脆值,且加速度冲击响应谱低于得到产品的S_c值曲线,验证了改进方案的可行性。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB485.1
【图文】：

技术路线图,技术路线,烟机,薄型

基于 FEM 和 SRS 的薄型烟机缓冲包装设计研究行调研和分析，确定薄型烟机的包装防护需求，再通过动态冲击试的最大加速度-静应力曲线，选择合适的缓冲材料，进行缓冲包装结构用 ANSYS Workbench 软件中的显式动力学模块，对薄型烟机包装姿态下的跌落过程进行仿真，得到产品的响应曲线。并通过分析产应变变化，得出缓冲包装对产品的保护性。薄型烟机原型包装件，按照国标 GB/T4857 进行跌落测试，观察产的产品在各个跌落工况下的加速度与产品脆值进行对比、冲击响应进行对比，观察缓冲包装结构的设计余量，进一步验证包装件的强据跌落仿真和跌落测试的结果，分析产品变形的原因及改进措施，的改进。究路线

方案,包装件,流通过程,产品脆值

装的要求是保证产品从产地到消费地的流通过程中不发生肉眼可见的变形及损伤。产品包装件的质量为7.85kg，外尺寸为830mm*198mm*550mm，外包装箱为BC楞一片式平口纸箱，现用于缓冲的衬垫材料是EPS，衬垫分别位于两侧（图2-1）。图 2-1 原包装方案展示图Fig. 2-1 Display drawing of original package2.1传统的脆值确定方法2.1.1经验估算法根据在流通过程中对包装件测量得到的数理统计分析结果，将产品可能受到的冲击分为三种情况：强烈冲击、中等冲击、较弱冲击。产品脆值估算经验公式[57]如下：-βcG =α*W （2-1）式中：Gc——包装件受到的最大加速度（g，g=9.8 m/s2）；W——包装件的质量（kg）；α, β——经验参数，无量纲。强烈冲击时，α=801，β=0.704；中等冲击时，α=203，β=0.306；较弱冲击时，α=53.2

时方,跌落高度,运输环境

试验样品进行 24 h 常温常湿的温湿度预处理。运输环境选择跌落高度，等效跌落高度选择范围为 100~运输环境，制定了跌落高度方案（表 2-2）。实际运输中击更为敏感，所以将此方向选定为测试冲击方向。表 2-2 跌落测试方案Tab. 2-2 Drop test option跌落次数跌落高度（mm）1 3002 3603 4104 4605 5106 5607 610

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