基于ANSYS Workbench的LED電視包裝件優(yōu)化設(shè)計

Kanokporn WONG-ON

摘? 要：將有限元分析（FEA）應(yīng)用于LED電視包裝件的隨機振動仿真和多目標優(yōu)化設(shè)計。利用有限元分析軟件ANSYS Workbench建立LED電視包裝件模型，設(shè)置材料參數(shù)，進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，然后利用EPE代替EPS緩沖材料，對LED電視包裝件進行優(yōu)化設(shè)計，并對比優(yōu)化前后LED電視包裝件的緩沖墊質(zhì)量和總變形等參數(shù)。研究表明：優(yōu)化后的包裝件在有效保護產(chǎn)品的前提下，其襯墊和包裝箱材料分別減少了37.71%和4.7%，達到了減量化設(shè)計的目的。

關(guān)鍵詞：LED電視包裝件;隨機振動;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計

0? ? 引言

隨著家電消費的不斷增加，產(chǎn)品包裝扮演的角色越來越重要。家電包裝件包括產(chǎn)品、緩沖襯墊和瓦楞紙箱，為驗證緩沖包裝的可靠性，一般需要進行運輸包裝試驗，但試驗過程是破壞性的，對產(chǎn)品的損傷很大。而使用有限元分析，則可有效避免這一情況，且方便修改設(shè)計和分析參數(shù)，以獲得包裝成本盡可能小、包裝效果盡可能好的緩沖包裝設(shè)計。

本文采用ANSYS Workbench進行LED電視的靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析和緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，獲得了用EPE泡沫代替EPS泡沫的新的緩沖包裝設(shè)計結(jié)果，并對比分析了原包裝與優(yōu)化包裝之間的測試結(jié)果。

1? ? LED電視包裝有限元分析基礎(chǔ)

1.1? ? 模型建立

所使用的樣品是SAST LED電視機，型號為LY315-DH01，規(guī)格為730 mm×76 mm×435 mm，外包裝為瓦楞紙箱，尺寸為781 mm×135 mm×500 mm。緩沖襯墊材料是EPS泡沫，以角包裝形式保護電視免受損傷，并用蜂窩紙板保護電視屏幕。利用建模軟件SolidWorks創(chuàng)建LED電視包裝件模型，包括LED電視、瓦楞紙箱、EPS泡沫、蜂窩紙板四部分。

1.2? ? 參數(shù)設(shè)置

選用Hex-dominant作為網(wǎng)格元件，對LED電視包裝件模型進行網(wǎng)格劃分，如圖1所示，其節(jié)點數(shù)為1 694 246，單元數(shù)為438 430。選用Boned和Frictional兩種接觸，Boned接觸指電視本體和部件之間的接觸，而Frictional接觸指電視、包裝盒和緩沖材料之間的接觸，材料表面的摩擦系數(shù)設(shè)為0.12。

建模時需要指定材料屬性，如表1所示，以使模型最接近實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

2? ? 新型LED電視包裝設(shè)計優(yōu)化

2.1? ? 優(yōu)化模型

新設(shè)計應(yīng)減少緩沖材料的數(shù)量，以減輕包裝的重量，同時保證有效性，以防止產(chǎn)品損壞。本文用EPE泡沫代替EPS泡沫設(shè)計了新的緩沖包裝結(jié)構(gòu)，如圖2所示，選取襯墊重量、總變形、第一自然頻率作為目標函數(shù)，控制參數(shù)范圍如表2所示。

2.2? ? 優(yōu)化結(jié)果

本文設(shè)計了6種不同尺寸的EPE泡沫襯墊，優(yōu)化結(jié)果如表3所示。H1對第一自然頻率（P5）的敏感性最高，影響最大，呈正相關(guān)關(guān)系;對于緩沖墊質(zhì)量（P6）和總變形（P4）敏感性略低，但總變形呈負相關(guān)。基于以上因素的分析，優(yōu)化結(jié)果主要通過改變H1的長度和調(diào)整H2的高度來實現(xiàn)。

基于上述原因，選擇OP1作為新的緩沖設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果與原包裝對比如表4所示。優(yōu)化后系統(tǒng)性能有了明顯的提高，緩沖墊質(zhì)量、箱體尺寸、最大變形均顯著降低，達到了輕量化包裝的目的。

3? ? 原包裝與新包裝有限元分析結(jié)果對比

優(yōu)化后的包裝與原始包裝靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析如圖3所示。結(jié)果表明，優(yōu)化后的包裝瓦楞紙箱總變形從2.226 mm減少到1.558 mm，減少30%;等效應(yīng)力從37.6 MPa降到37.375 MPa，減少0.6%。可見，EPE作為緩沖材料的性能優(yōu)于EPS，達到了輕量化包裝的目的。

4? ? 結(jié)語

本文將FEA應(yīng)用于電視包裝件的靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析和緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，新的優(yōu)化設(shè)計不僅減小了電視包裝的尺寸，還減少了在運輸過程中造成的損壞，降低了物流成本。使用FEA能準確預(yù)測產(chǎn)品損壞的位置，減少試錯過程和試驗損耗，為緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：Kanokporn WONG-ON（王佳穎）（1993—），女，泰國人，碩士研究生在讀，研究方向：包裝動力學(xué)。