紅外鏡頭跌落沖擊仿真及緩沖包裝方法選擇研究

張云華，李 珊，劉冠玉，陳 驥，李洪兵

（1.昆明理工大學機電學院，昆明 650500；2.云南北方馳宏光電有限公司，昆明 650217）

紅外鏡頭跌落沖擊仿真及緩沖包裝方法選擇研究

張云華1，2，李 珊1，劉冠玉1，陳 驥2，李洪兵2

（1.昆明理工大學機電學院，昆明 650500；2.云南北方馳宏光電有限公司，昆明 650217）

基于顯式動力分析理論，對某款紅外鏡頭及其包裝件進行跌落仿真分析，提取鏡頭整體，大、小鏡片在每個時刻的最大應力，在MATLAB中生成曲線，得出在初始時刻，大鏡片上的應力大于小鏡片上的，而在結束階段，情況相反，從而引發(fā)了設計者對鏡片安裝處鏡筒的壁厚設計的思考；以硬質PU泡沫作為此類紅外鏡頭的緩沖包裝，在保護產品抵抗沖擊方面，采用局部緩沖優(yōu)于全面緩沖。并將局部緩沖下大、小鏡片中心點Z向加速度峰值與裸機的作比較，發(fā)現該緩沖方法對峰值的削弱效果非常明顯。最后將局部緩沖包裝件放入瓦楞紙箱進行跌落試驗，且能通過。這種基于仿真的設計方法為紅外產品結構設計及緩沖包裝方法的選擇提供了一種有效的研究手段。

紅外鏡頭；跌落仿真；局部緩沖包裝；硬質PU；加速度峰值；沖擊

紅外鏡頭等精密光學元器件在使用和運輸過程中都有可能發(fā)生跌落和碰撞，如果產品結構設計不合理或者包裝設計不合理，在跌落沖擊下都有可能導致產品的破損，所以紅外鏡頭等精密光學元器件在設計研發(fā)過程中需要考慮的是一旦產品跌落后會產生什么樣的后果，強度設計要求有沒有滿足。

若要知道產品跌落后產生的后果，一般都采用傳統(tǒng)的跌落試驗來獲得，例如手機、MP3等一般采用裸機的跌落試驗，家用電器如空調、液晶顯示器、電視機等一般采用帶包裝的跌落試驗。但跌落試驗作用時間極短，跌落姿態(tài)不易控制，重復性太差，試驗費用很高，測得的物理量有限，不能獲得時間和空間上的連續(xù)解，不能完整體現跌落過程中的動態(tài)響應和變形機理。此類傳統(tǒng)的跌落試驗只能評判產品能否通過行業(yè)規(guī)定的標準，但對產品結構設計上的改進、緩沖包裝方式的選擇作用有限［1－2］。

跌落仿真很好地解決了這些問題，它利用計算機仿真的手段，對產品的跌落過程進行有限元仿真分析，獲得工程師們最關注的參數，例如結構的整體應力、變形等［3］。在產品的物理樣機和產品包裝未制造出來之前，可以通過及時地改進產品或緩沖包裝的結構、選擇合理的緩沖包裝材料等手段來提高產品及其包裝件的抗跌落沖擊的性能。

本文將有限元仿真分析［4］的手段引入到紅外鏡頭及其緩沖包裝件跌落分析上，進而為紅外產品的結構設計及緩沖包裝方法選擇提供了一種有效的研究手段。首先運用ANSYS/LS－DYNA有限元分析軟件對某款紅外鏡頭裸機的跌落過程進行分析，來預測紅外鏡頭裸機跌落后的受損情況，然后對兩種緩沖包裝方法的抗跌落沖擊性能進行分析，從而達到優(yōu)化包裝結構的設計方案的目的。

1 顯式動力分析理論基礎

紅外鏡頭的跌落是鏡頭在極短的時間內，在劇烈的動態(tài)碰撞沖擊載荷下發(fā)生一系列的復雜的非線性動態(tài)響應過程，所以在整個跌落過程中同時存在著幾何非線性、材料非線性、和接觸非線性。因此對紅外鏡頭的跌落過程進行數值模擬，一般都采用顯式積分算法。建立碰撞運動方程，方程表示為［5］：

其中：［M］表示總體質量矩陣；［C］表示總體阻尼矩陣；［K］表示總體剛度矩陣；｛a｝表示加速度向量；｛v｝表示速度向量；｛s｝表示位移向量；｛Fex｝表示包括碰撞力在內的外力向量。其中剛度矩陣［K］是由結構的材料屬性和單元的幾何性質決定的，質量矩陣［M］是由密度來決定的通過定義材料特性（彈性模量、泊松比和密度）與單元類型得到剛度矩陣和質量矩陣［6］。但在大多數情況下，阻尼機制是不能確切知道的，從而阻尼的形式也是未知的。

在整個時域范圍內，可由上述三條積分遞推公式求解得到各個離散時間點處的位移、速度和加速度。顯式積分算法與其它的計算不同，它不需要進行矩陣分解或者求逆，不需要求解聯立的方程組，同時也不存在收斂性的問題，其穩(wěn)定性準則能自動控制計算步長的大小，保證積分運算的速度，因此通過碰撞運動方程，中心差分法等理論就可以構建紅外鏡頭跌落碰撞的有限元分析的整個算法。

2 紅外鏡頭跌落仿真分析

2.1 有限元模型的建立

建立仿真分析模型是仿真的前提條件。本文在Pro/e建立紅外鏡頭的實體模型，它主要由鏡筒，壓圈一、壓圈二、鏡片一（大鏡片）和鏡片二（小鏡片）構成，然后將其保存成后綴為igs的文件，將其導入ANSYS/LS－DYNA中進行網格劃分，為了方便處理，所有零件模型均采用solid 164實體單元，四面體網格進行離散。將地面定義為剛性體，生成仿真分析所必需的有限元模型。

圖1 紅外鏡頭跌落的有限元模型Fig.1 Finite element drop model of a infrared lens

由于這款紅外鏡頭鏡片材料是鍺單晶，而鍺單晶很脆，容易損壞，因此兩片紅外鏡片是整個紅外鏡頭的關鍵部件，是主要關注的對象。鏡筒、壓圈和鏡片采用雙線性隨動硬化材料模型，地面采用剛性體模型來處理。紅外鏡頭各部分材料參數見表1。

表1 紅外鏡頭主要部件材料性能參數Tab.1 Material parameters of com ponent in a in frared lens

2.2 跌落仿真工況

根據企業(yè)對產品機械強度試驗的要求，跌落高度選擇1 000 mm的自由跌落，要求產品帶包裝跌落后不發(fā)生損壞現象。此處的鏡頭裸機跌落分析的目的是為了預測產品不帶包裝跌落后的損壞程度，為下面包裝材料的選擇和包裝結構的設計提供參考，若損壞程度很小，或者沒有損壞，則在瓦楞紙箱里放一點緩沖介質即可，若損壞程度較大，則需要專用的緩沖襯墊，這就涉及到了緩沖包裝材料和緩沖包裝方法的選擇。

2.3 仿真計算及結果分析

使用LS-DYNA Solver求解器進行計算，計算完成后，通過LS-PREPOST打開計算結果文件d3plot，獲得紅外鏡頭在跌落過程中最危險時刻的應力云圖，如圖2～4所示。在t＝0.000 099 968 s時，鏡頭整體單元最大應力達到794.285 MPa，發(fā)生部位位于鏡筒與剛性地面的接觸處，且大大超過了硬鋁2A12屈服強度380 MPa，發(fā)生嚴重的變形，也超過了它的強度極限500 MPa，鏡筒與地面接觸處可能首先破裂，此時大鏡片上的應力為631.374 MPa，小鏡片上的應力是349.027 MPa，都大大超過鍺的強度極限100 MPa，說明此時的大、小鏡片很有可能已經破損。由于此處的沖擊是由剛性地面通過鏡筒直接傳遞給鏡片，首先傳遞到的是大鏡片，大鏡片的最大應力部位即為碰撞部位，所以此時大鏡片上的最大等效應力大于小鏡片上的。大鏡片上的應力由接觸部位鏡片的邊緣處向內部擴散，離接觸部位越遠，傳遞到的應力就越小。此時小鏡片的應力是通過鏡筒大端的變形傳到小端進行擠壓產生的，伴隨著應力和變形傳遞衰減的過程，所以在初始時刻，小鏡片上的應力與大鏡片上的相比偏小。當t＝0.00019998 s時，鏡頭整體單元最大應力為794.461 MPa，是整個跌落過程中的峰值，發(fā)生在小鏡片上，此時大鏡片上的應力為669.672MPa，限于篇幅，此處不給圖示。

圖2 T＝0.000 099 968 s時紅外鏡頭應力云圖Fig.2 Stress distribution of a infrared lens at0.000 099 968 s

圖3 T＝0.000 099 968 s時大鏡片應力云圖Fig.3 Stress distribution of the large lens at0.000 099 968 s

提取每個時間點鏡頭整體、大鏡片和小鏡片的單元最大應力數據，在MATLAB中生成如圖5所示曲線，整個跌落過程的應力峰值794.416 MPa發(fā)生在小鏡片上，但最先可能破損的是大鏡片，隨著鏡筒大端變形和大鏡片的局部破損，小鏡片安裝部位就成了碰撞部位，導致在0.000 2 s～0.000 6 s時刻內小鏡片上的應力值高于大鏡片上的，隨著小鏡片的局部破損和鏡筒小端的變形，鏡筒大端再次成為主要碰撞接觸部位，所以在0.000 7 s～0.001 s時刻內大鏡片上應力值高于小鏡片上的。本文中鏡筒大端的鏡片安裝處壁厚為5 mm，外徑為68 mm，其外徑與壁厚的比值（以下簡稱徑厚比）為13.6，鏡筒小端鏡片安裝壁厚為9mm，外徑為52 mm，其徑厚比為5.8，兩比值相差比較大，也就是說，大端鏡片安裝處，壁薄且口徑大，小端鏡片安裝處，壁厚且口徑小，所以鏡筒大端變形肯定會比鏡筒小端的變形大很多。鏡筒小端抵抗變形的能力較前者強很多，所以當大端變形達到極限時，小端即小鏡片的安裝部位又成了碰撞部位，大鏡片的變形有起一個緩沖吸能的作用，使得作用在大鏡片上的力減少，而小鏡片安裝部位的鏡筒壁較厚，變形比較小，從而抵抗變形的能力相對較強，則應力很大程度地通過鏡筒傳遞給小鏡片，因此，在碰撞結束前一段時間內，小鏡片上的應力值一直大于大鏡片上的。

圖4 T＝0.000 099 968 s時小鏡片應力云圖Fig.4 Stress distribution of the small lens at0.000 099 968 s

圖5 紅外鏡頭最大應力－時間曲線Fig.5 Maximum stress-time curve of a infrared lens

3 紅外鏡頭包裝件跌落仿真分析

3.1 緩沖包裝材料的選擇

本文中的緩沖包裝材料選擇的是低密度硬質聚氨酯泡沫，其密度為1.71×10－10t/mm3，彈性模量為1 000 MPa，材料模型為Low Density Foam。聚氨酯泡沫是一種重要的合成材料，具有多孔性，相對密度小，比強度高；具有很強的彈性，化學穩(wěn)定性好；具有良好的防水、防震性能，且價格比較低，容易成型。主要用于精密儀器儀表、貴重機械、易損件等的運輸包裝上，本文中的紅外鏡頭是紅外熱像儀上的調焦鏡頭，屬于精密光學儀器，市場價可以賣到8 000元左右，也屬于貴重機械，所以選擇低密度硬質聚氨酯泡沫作為緩沖材料在用途上是合理的。

3.2 緩沖包裝材料的應力－應變曲線

本文中使用緩沖包裝材料低密度硬質聚氨酯（PU）的應力－應變曲線是通過材料靜態(tài)壓縮試驗方法獲得的，依據的標準是GB/T 8168－2008（包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗方法），所用的試驗設備是深圳新三思材料檢測公司生產的CMT6103萬能材料試驗機。獲得的應力－應變曲線如圖7所示。

圖6 低密度硬質聚氨酯泡沫應力－應變曲線Fig.6 Stress-strain curve of rigid polyurethane

3.3 緩沖包裝結構設計

本文中主要針對兩種不同包裝結構進行分析，來研究這兩種不同的包裝結構對鏡頭上的鏡片，鏡頭整體所受應力的減弱程度，從而為同類產品包裝結構的設計提供依據。本文中涉及到了兩種包裝結構——整體式和分離式，即包裝工程領域提到的全面緩沖和局部緩沖兩種方式，如圖8所示。

圖7 緩沖包裝結構Fig.7 Structure of Cushioning packaging

圖7（a）中緩沖方式屬于全面緩沖方式，該種緩沖方式所用包裝材料較局部緩沖來得多，它主要適用于小批量產品的包裝，全面緩沖包裝法，由于緩沖應力較小、因而可以減少緩沖材料的厚度以及包裝材料來提高運輸工具的利用率。圖7（b）屬于局部緩沖包裝法，它是根據鏡頭的特點，利用兩塊緩沖襯墊對兩塊鏡片安裝部位進行局部緩沖，減少了泡沫材料，降低了成本，且采用這種局部緩沖包裝法，有利于產品的安放與固定。

3.4 仿真計算、結果分析與試驗驗證

在仿真計算之前，給定與鏡頭裸機跌落時相同的工況，計算求解后，提取每個時間點鏡頭整體、大鏡片和小鏡片的單元最大應力數據，在MATLAB中生成如圖8和圖9所示曲線。

圖8 全面緩沖包裝下的紅外鏡頭最大應力－時間曲線Fig.8 Maximum stress-time curve of a infrared lens in comprehensive cushion packaging

圖9 局部緩沖包裝下的紅外鏡頭最大應力－時間曲線Fig.9 Maximum stress-time curve of a infrared lens in Partial Cushion Packaging

圖10 全面緩沖下跌落仿真與試驗結果比較Fig.10 CoMParison between simulation results and experiment ones in comprehensive cushion packaging

圖8顯示了全面緩沖包裝方式下，跌落過程中大鏡片在各個時刻的最大應力始終低于80 MPa，小于鍺的屈服極限90 MPa和強度極限100 MPa，所以大鏡片應該是安全的。而小鏡片在整個跌落過程中出現了一個危險時刻，在0.001 7 s的時侯出現了136.462 MPa的最大應力，如圖10（a）所示，產生部位在小鏡片與鏡筒底部接觸處，很可能會引起小鏡片的破壞。為了驗證仿真結果是否正確，按照企業(yè)的試驗標準和檢驗試驗規(guī)范，在HW－DT－315型跌落試驗機進行跌落試驗，將全面緩沖鏡頭包裝件，提到規(guī)定的高度突然釋放，使其落入沖擊板，形成沖擊載荷。試驗結束后，取出鏡頭，發(fā)現鏡筒，壓圈和大鏡片完好無損，而小鏡片出現了崩邊的現象，如圖10（b）所示，仿真分析的結果與試驗結果吻合良好。

產生這種現象的原因是因為緩沖包裝彈性比較好，撞擊地面后反彈，由于慣性的存在，鏡頭繼續(xù)往下運動，而所選的這款低密度硬質聚氨酯泡沫，相對于其他泡沫而言比較硬，變形相對比較小，相當于又發(fā)生了一次鏡頭與硬質泡沫的碰撞，沖擊就直接作用于小鏡片的安裝部位。如上文所說，鏡筒小端壁比大端的厚，且直徑較小，抵抗變形的能力強，小端處的緩沖泡沫厚度大于大端的緩沖泡沫后，相當于一個硬且厚物體，碰撞在一個較之更硬的物體上，更硬的物體里面緊貼著一個極易破損的物體，所以通過一次碰撞沖擊，很有可能導致里面的小鏡片被震碎。圖9顯示的局部緩沖方式下跌落過程中大、小鏡片在各個時刻的最大應力始終低于80 MPa，小于鍺的屈服應力90MPa和強度極限100 MPa，所以大、小鏡片應該是安全的，對于此類特征的紅外鏡頭，如果選擇硬質泡沫來作為緩沖，采用這種局部緩沖方式抗沖擊的性能強于全面緩沖緩沖的抗沖擊性能。圖5、圖8和圖9都體現了一個共同的特點，在碰撞的初始時刻，大鏡片上的最大應力大于小鏡片上的，而在碰撞結束階段，大鏡片最大應力均小于大鏡片上最大應力，原因與上文對裸機分析的原因類似。限于篇幅，不再贅述。

4 局部緩沖包裝件與鏡頭裸機跌落加速度響應值對比分析

一些文獻中提到，導致產品破損還有一個重要的因素即產品的極限加速度［7］。由上文分析可知通過局部緩沖的方式使得小鏡片上最大應力從原來的794.461 MPa降為68.565 2 MPa，大鏡片上的最大應力由原來的669.672 MPa降為72.532 MPa，幾乎都降為原來的十分之一，對最大應力減弱效果非常明顯。在加速度值方面如圖11和圖12所示，曲線A、曲線B分別為大鏡片中心節(jié)點19 077和小鏡片中心節(jié)點10 688的加速度響應，與鏡頭裸機跌落的相比，大鏡片中心節(jié)點的加速度峰值降為原來的十分之一，小鏡片上的降為原來的五分之一，所以對加速度峰值的減弱效果也非常明顯。最后將這種局部緩沖的紅外鏡頭包裝件，進行跌落試驗，結果顯示產品完好無損，順利通過了樣機跌落試驗。

圖11 裸機跌落時，大、小鏡片中心點Z向加速度響應Fig.11 Z acceleration response of the lager and small lens’center node when the Baremachine drops

圖12 局部緩沖包裝件跌落時，大、小鏡片中心點Z向加速度響應Fig.12 Z acceleration response of the lager and small lens’center node when the Partial Cushion Packaging drops

5 結 論

本文利用ANSYS/LS－DYNA建立了某款紅外鏡頭及整體式和分離式兩種緩沖包裝的有限元模型，然后進行跌落仿真分析，得到以下幾點結論：

（1）碰撞的初始階段，大鏡片上的最大應力大于小鏡片上，碰撞的后階段，小鏡片上最大應力大于大鏡片上，由此引發(fā)了設計人員對鏡片安裝處的鏡筒壁厚取值的思考。

（2）對兩種緩沖包裝方式——全面緩沖和局部緩沖進行了對比分析，并對這兩種緩沖包裝件進行跌落試驗驗證，發(fā)現仿真結果與實驗結果吻合良好，得出對于此款紅外鏡頭而言，在選擇低密度硬質聚氨酯泡沫作為緩沖材料的情況下，在保護鏡頭抵抗沖擊方面，局部緩沖方式優(yōu)于全面緩沖方式，為同類產品緩沖包裝方法的選擇提供了參考。同時物理樣機跌落試驗驗證了仿真設計方案及方法的可行性和正確性。

（3）對產品裸機和局部緩沖方式下的大、小鏡片中心點Z向加速度響應峰值進行了對比分析，發(fā)現此種緩沖包裝方法對加速度峰值減弱效果也很明顯。將這種仿真方法引入產品設計中，可以讓設計者在初期就可以預測產品的設計缺陷，從而加以改進，這樣不僅可以保證產品設計的質量，同時大大縮短了產品的研發(fā)周期，減少了試驗費用［8－9］，提高了產品的市場競爭力。

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Dropping simu lation and selecting of cushion packaging methods for a infrared lens

ZHANG Yun-hua1，2，LIShan1，LIU Guan-yu1，CHEN Ji2，LIHong-bing2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming650500，China；
2.Yunnan KIRO-CH Photonics Co.，Ltd，Kunming 650217，China）

The dropping process of a infrared lens and its package were analyzed based on the explicit dynamic analysis theory here，the maximum stresses of the infrared lens，its large lens and small lens were extracted at each instant.Then the stress versus time curve was generated in MATLAB.The stress of its large lens was higher than that of its small lens at the initial instantand in the ending stage the situation is opposite，so it caused the designer's thinking for the thickness design of the barrel.Rigid polyurethane foam was taken as the cushioning packaging of this infrared lens.Partial cushion packaging was better than comprehensive cushion packaging for protecting the product from shock.Compared with the bare machine drops，itwas shown that the Z direction acceleration response of the central point of the large and small lenseswith the partial cushion packaging during drop ismuch lower than thatof the bare lense.Finally，the lens with the partial cushion packaging was put into a corrugated box for a drop test，and it passed through the test.This simulation-based design approach provided an effective means for the structural design of infrared products and selection of cushioning packagingmethods.

infrared lens；dropping simulation；partial cushion packaging；rigid polyurethane（PU）；peak of acceleration；shock

TP744

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.022

國家科技部重點新產品資助項目（2012GRF30008）；云南省科技創(chuàng)新強省計劃項目（2010AD003）

2013－08－26 修改稿收到日期：2013－12－04

張云華男，碩士生，1987年9月生

李珊女，副教授，碩士生導師，1965年生