基于ANSYS Workbench對玻璃杯包裝的跌落分析

■ 文/天津科技大學　付秋瑩

玻璃的制造與使用已經有超過五千年的歷史，作為世界上最大的玻璃產品生產國與貿易國，為具有較大脆性的玻璃產品進行合理的包裝設計，可大大減少產品在物流運輸途中因沖擊碰撞而發生的損壞，從而避免玻璃產品失去其使用價值。玻璃產品被公認是世界上在安全的包裝材料之一，日用玻璃產品中，日用及家用各類玻璃器皿等產量占玻璃產品總產量的20%[1]，作為日常盛裝液體的玻璃水杯，而其損壞很大程度是由于跌落碰撞造成的，通過分析其跌落沖擊過程，了解沖擊時物體的結構變形與應力變化。跌落碰撞發生的時間非常短，遠小于0.1s，且跌落的過程復雜，難以控制，傳統的試驗無法完整的展現跌落碰撞全過程，而計算機模擬仿真的出現很好的解決了這一難題，因此本文通過ANSYS Workbench有限元的方法模擬產品實際運輸流通環境下模型的跌落過程，通過運算得到全面而精確的評定。

一、有限元分析概述

（一）有限元分析法

有限元分析法（Finite Element Analysis，FEA）的基本思路是將連續的求解區域離散為一組有限個，且按一定方式相互連接在一起的單元組合體，單元能按不同的聯系方式進行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以對復雜的模型進行求解[2]。簡單來說就是將一個系統劃分為有限個相互關聯的節點或單元，對每一部分進行分析并求解，最終得到結果，將復雜問題簡單化。

有限元法的基本步驟是對問題分析后進行單元定義與網格劃分，輸入外部載荷及響應，通過計算最終求解的過程[2]。目前有限元分析法被廣泛應用在大型線性方程組的求解、非線性問題的求解、動力問題的計算等領域，本文運用的是ANSYS Workbench軟件，并在Explicit Dynamics模塊下進行玻璃杯的跌落仿真與分析。

（二） ANSYS Workbench軟件介紹

作為一個大型的計算機輔助分析軟件(Computer Aided Engineering，CAE)，隨著計算機技術和有限元理論的發展，ANSYS在各個領域得到了廣泛的應用，在ANSYS軟件的分析能力和各項操作完善和發展的過程中，可以利用它進行工程和結構的安全性能和可靠性能的分析，從仿真中發現影響產品安全的問題所在，對其優化和改進來保證產品和結構的安全性。在包裝行業中，通過產品的跌落試驗仿真分析和運輸包裝的隨機振動試驗仿真分析，來證明包裝設計的可行性。例如吸塵器[3]、洗衣機[4]、筆記本電腦[5]等電器的運輸包裝分析，對易拉罐[6]、啤酒瓶[7]的跌落仿真分析。近年來，ANSYS Workbench憑借其新穎的操作界面和明了的操作思路，深受用戶的好評，它兼容了各大有限元分析軟件的優勢，也使其廣泛應用在能源、機械、工程力學、土木工程、電子工程以及航空航天等重要領域。

二、玻璃杯跌落仿真分析

本次實驗的玻璃杯跌落仿真分析選用ANSYS Workbench軟件中的Explicit Dynamics模塊來進行。Explicit Dynamics是Workbench的顯示動力學分析模塊，它可以充分利用Workbench高效快速的前處理技術，方便地實現與其他模塊的數據共享，實現跌落和沖擊碰撞等顯示動力學問題[8,9]。

（一）幾何體模型

運用SolidWorks軟件分別建立玻璃杯、上下兩個緩沖襯墊以及模擬地面的長方體模型并裝配成體，玻璃杯與緩沖襯墊尺寸由實際測得，如圖1所示：玻璃杯杯口外直徑為90 mm，杯底外尺寸60mm，高度110mm，杯體厚度1.5mm。緩沖襯墊為100mm×100mm×30mm的長方體，上緩沖襯墊中心設有外直徑90mm，內直徑75mm，深度15mm的環形杯口卡槽，下緩沖襯墊的圓形卡槽直徑為65mm，深度10mm。將文件保存為“.x_t”格式并導入ANSYS。

圖1　三維幾何模型

（二）材料屬性

在Engineering Date中添加自定義材料，通過Density和Isotropic Elasticity模塊輸入三種材料的性能參數，如表1所示，其中模擬地面的材料選用結構鋼。

表1　材料參數性能

（三）劃分網格

在Model中給各模型添加材料屬性。賦予水杯玻璃材料，上下緩沖襯墊賦予EPP材料，地面賦予結構鋼材料。然后進行網格劃分，ANSYS網格劃分工具（Meshing）提供了最常用的網格劃分控制和最常用的網格劃分操作，它包括單元屬性設置區域、智能網格劃分控制區域、單元尺寸控制區域、網格劃分方法控制區域和細化單元控制區域五個區域組成[8]。劃分的網格越小，計算的精確度就越高，大量的細化單元同時計算會延長結果的運算時間，因此要合理恰當的進行網格的劃分。相關度設置為0，相關中心設置為Coarse，生成網格后有節點10228個，單元28715個，網格劃分如圖2所示。

圖2　網格劃分

（四）加載條件

在碰撞過程中，地面被視為沒有位移變化的剛性體，故在地面上添加固定約束。本次模擬跌落采用杯口朝下的方式，產品與地面垂直碰撞，進行面-面接觸，故將地面與緩沖襯墊間的連接方式設置為無摩擦，除地面外的各部分連接方式設置為綁定。

模擬運輸包裝件在公路或鐵路中的跌落試驗，產品質量小于10Kg，等效跌落高度為800mm[10]，將產品看做自由落體式跌落，即設置產品和緩沖襯墊的初速度為3.96m/s。設置最大循環速度為10000次，分析時間為0.1s。

（五）結果后處理

對玻璃杯跌落后的等效應力和總變形進行求解。得到玻璃杯的應力云圖如圖3所示，玻璃杯的最大變形云圖如圖4所示。

圖3　最大變形云圖

圖4　等效應力云圖

三、玻璃杯跌落實驗

以玻璃杯及其上下緩沖襯墊為試驗材料，跌落高度為0.3m，杯口朝下跌落至混凝土地面，通過傳感器獲取玻璃杯跌落信息，得到跌落時間與加速度的關系曲線如圖5所示。

圖5　加速度-時間曲線

通過跌落實驗獲得的加速度-時間的關系曲線中，粉色、藍色、綠色分別代表X軸、Y軸和Z軸的加速度。由于產品跌落過程復雜，產品跌落至地面時難以實現理想化的平跌落，因此會在三個方向上都產生加速度。試驗中的產品需要經過漫長的包裝設計周期，另外，進行破壞性測試時所需樣品個數較多，對測試儀器也有較高的要求，會產生較高的研發成本。因此通過試驗獲得數據進行包裝設計具有一定的局限性。

四、結語

利用ANSYS Workbench模擬產品在各種情況下的跌落實驗。通過對玻璃杯包裝的跌落仿真，得到其跌落仿真的應力云圖，在應力云圖的指導改進包裝結構，得到抗沖擊性能更強、緩沖效果更好的包裝。在包裝的開發設計中，對產品進行三維建模并利用ANSYS Workbench進行模擬仿真，可獲取有力數據，避免試驗中產品的損傷與破壞，縮短設計周期，降低研發成本。本文提供了一個產品碰撞仿真分析的思路，為易碎品的包裝設計提供一個參考，具有一定的實際意義。