空氣凈化器緩沖包裝跌落仿真分析及優(yōu)化

常 江，孫鵬達(dá)

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150028）

0 引言

2020年初，“新型冠狀病毒肺炎”的爆發(fā)更加促使了空氣凈化器類產(chǎn)品需求量的激增?？諝鈨艋饕约翱諝鈨艋桨冈诟鞔竺襟w平臺引來了極大的關(guān)注度，A.O.史密斯、萊克、海爾、美的、格力等品牌向武漢火神山醫(yī)院、雷神山醫(yī)院、方艙醫(yī)院捐贈多批空氣凈化器，新風(fēng)系統(tǒng)空氣凈化器和新風(fēng)設(shè)備在許多醫(yī)院里已經(jīng)投入使用。疫情期間，在商家與各大銷售平臺的不斷宣傳下，空氣凈化器和新風(fēng)系統(tǒng)的話題逐漸成為各個社交平臺的熱搜內(nèi)容，使得本就受到大眾青睞的空氣凈化行業(yè)更加“熱鬧”起來［1-4］。空氣凈化器作為常見的中小型智能電器，由馬達(dá)、風(fēng)扇、智能監(jiān)控系統(tǒng)、負(fù)離子發(fā)生器與高壓電路等多個精密系統(tǒng)所構(gòu)成，在運(yùn)輸中易發(fā)生磕碰損壞的情況，這就對空氣凈化器的包裝防護(hù)提出極高的要求。目前常見的空氣凈化器的緩沖包裝主要以聚苯乙烯泡沫與聚乙烯泡沫材料為主。聚苯乙烯作為緩沖材料具有機(jī)械強(qiáng)度好，緩沖性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，同時加工性好，易于模塑成型，價格低廉，極大地壓縮了生產(chǎn)成本［5-7］。但由于發(fā)泡聚苯乙烯難以回收利用，隨意丟棄易產(chǎn)生白色污染，并隨著空氣凈化器需求量的激增，短時間內(nèi)會造成大量的資源浪費(fèi)。在綠色包裝理念的支撐下，運(yùn)用環(huán)保材料以及創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計新形式的緩沖襯墊，在滿足基本防護(hù)要求的前提下，對環(huán)境友好無污染且降低包裝成本，已經(jīng)成為了急待解決的問題［8-10］。

1 空氣凈化器產(chǎn)品特性

1.1 產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)

設(shè)計選用研究對象為華為智選空氣凈化器，其具體參數(shù)和外觀圖如表1和圖1所示。

表1 空氣凈化器設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of air purifier

圖1 空氣凈化器產(chǎn)品外觀圖Fig.1 Appearance of air purifier

1.2 產(chǎn)品易損部件分析

華為智選720全效空氣凈化器主要由底座、風(fēng)道系統(tǒng)、支撐外殼、風(fēng)扇、智能監(jiān)控系統(tǒng)、負(fù)離子發(fā)生器、濾芯與電機(jī)所構(gòu)成。其中智能監(jiān)控系統(tǒng)與電機(jī)為空氣凈化器的核心零件。在運(yùn)輸過程中，如果受到較大程度的沖擊或震動，容易造成電機(jī)與智能監(jiān)控系統(tǒng)的異常，從而造成空氣凈化器的損壞或失效［11］。在運(yùn)輸包裝的設(shè)計中，運(yùn)輸包裝行業(yè)通常是把設(shè)計經(jīng)驗(yàn)值作為原型包裝設(shè)計的參考，根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果，確定空氣凈化器的脆值Gm=80 g。

2 空氣凈化器的緩沖包裝設(shè)計

2.1 空氣凈化器緩沖襯墊的用量計算

2.1.1 承載面積計算

緩沖襯墊材料選用瓦楞紙板，根據(jù)資料查AB型瓦楞紙板緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線得材料的緩沖系數(shù)：σm=1.75×105Pa時，緩沖系數(shù)最小為C=1.5，承受跌落的承載面積A：

式中A——緩沖襯墊的負(fù)載面積，m2；

W——被包裝產(chǎn)品的質(zhì)量，kg；

Gm——產(chǎn)品所承受的最大加速度值，g；

σm——緩沖材料的最大應(yīng)力，Pa。

代入式（1）可得

通過產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析，產(chǎn)品本身受力面積大于襯墊面積，所以決定采用局部緩沖結(jié)構(gòu)，節(jié)約緩沖材料。

2.1.2 緩沖襯墊的蠕變量校核

緩沖材料選用了AB雙層瓦楞紙板，故襯墊厚度為T=6 mm。

蠕變量校核的計算公式：

式中TC——緩沖襯墊修正后的厚度，m；

Cr——蠕變系數(shù)，%；

T——緩沖襯墊修正前的厚度，m。

本設(shè)計Cr=10%，T=6 mm，代入式（2）可得：

TC=0.006×（1+10%）=0.006 6 m

2.1.3 緩沖襯墊結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算

根據(jù)內(nèi)裝產(chǎn)品尺寸L1×B1×H1=260×260×520 mm，緩沖距離：σL=55 mm，σB=55 mm，σH=28 mm，可以得到緩沖襯墊的基本尺寸：

L=L1+2T+2σL=382 mm

B=B1+2T+2σB=382 mm

H=2T+2σH=40 mm

2.1.4 緩沖襯墊的撓度校核

緩沖襯墊設(shè)計后，需要進(jìn)行基本的經(jīng)驗(yàn)公式計算，確定設(shè)計的襯墊的基本尺寸是否滿足基本安全程度。通常要進(jìn)行撓度校核來測試襯墊是否滿足基本要求。

穩(wěn)定性校核的公式：

式中Amin——求得的緩沖襯墊承載面積，m2；

T——求得的緩沖襯墊的厚度，m。

由前面的計算結(jié)果可知，緩沖襯墊的厚度經(jīng)蠕變校核后為0.006 6 m，代入式（3）可得：

因此，緩沖襯墊設(shè)計穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。

考量生產(chǎn)實(shí)際中可批量化生產(chǎn)，采用瓦楞紙板一頁成型為基本思路設(shè)計。采用4個角折疊成三角形柱的結(jié)構(gòu)作為支撐，起到緩沖及固定的作用。4個三角形立柱通過開槽插合與下襯墊進(jìn)行固定，且插入處也起到固定支撐的作用。通過4個角的三角形空心立柱起到襯墊的緩沖效果，同時三角形的結(jié)構(gòu)更具有穩(wěn)定性，起到支撐的作用。底面與上面采用正方形的設(shè)計，預(yù)留出緩沖的距離，同時4個開槽的插入也確保了襯墊的穩(wěn)定性。

2.1.5 緩沖襯墊的結(jié)構(gòu)圖

緩沖襯墊選用AB型瓦楞紙板一頁成型結(jié)構(gòu)，根據(jù)空氣凈化器的規(guī)格對緩沖襯墊的尺寸進(jìn)行設(shè)計，用繪圖軟件繪制緩沖襯墊的平面圖，緩沖襯墊的平面展開如圖2所示。

圖2 空氣凈化器緩沖襯墊平面展開圖Fig.2 Expanded plan of cushion pad of air purifier

將襯墊的底板折疊90°并通過開槽插入固定形成底板。再將4個角的瓦楞紙板通過90°、45°、90°折疊形成三角形結(jié)構(gòu)，并立起來折疊90°插入到底面的開槽中固定。

2.2 空氣凈化器緩沖包裝的實(shí)體模型

根據(jù)前期計算確定的緩沖襯墊的設(shè)計方案，在solidworks軟件中建立三維立體模型，包括上下襯墊、內(nèi)裝產(chǎn)品及瓦楞紙箱等，所得效果如圖3所示。

圖3 運(yùn)輸單元的立體效果圖Fig.3 Three-dimensional rendering of conveying unit

3 空氣凈化器緩沖運(yùn)輸包裝跌落仿真分析

3.1 定義有限元模型材料屬性

基于前面的設(shè)計計算，襯墊的緩沖材料以及外包裝箱均為AB雙層瓦楞紙板，而通過查閱資料可知空氣凈化器的主體材料為ABS，定義材料屬性如表2所示［12］。

表2 緩沖包裝單元各部分材料屬性Tab.2 Material properties of each part of cushioning packaging unit

3.2 跌落仿真分析初始值計算

為模擬實(shí)際運(yùn)輸情況，選擇對包裝件進(jìn)行動態(tài)仿真分析，分別對空氣凈化器的運(yùn)輸包裝進(jìn)行面、棱和角3種不同方式在跌落高度H=60 cm進(jìn)行跌落。通過對比極限應(yīng)力與最大加速度的值來判定所設(shè)計的包裝件是否合理，能否在運(yùn)輸?shù)倪^程中吸收能量，起到良好的緩震效果［13］。

為了簡化和縮短跌落過程，可以先設(shè)定初始位置為H'=0.005 m，根據(jù)計算公式，得到包裝件在開始跌落瞬間會獲得一定的初速度［13-14］，該初速度：

根據(jù)H''=V0t+1/2gt2，求得時間間隔t=0.001 6 s。

3.3 跌落仿真結(jié)果分析

對緩沖包裝進(jìn)行60cm的面、棱、角跌落仿真分析，分別得到3種跌落方式的應(yīng)力云圖以及加速度曲線。

3.3.1 面跌落仿真結(jié)果分析

根據(jù)所建立的運(yùn)輸單元模型和網(wǎng)格劃分結(jié)果，在60 cm的跌落高度對緩沖單元進(jìn)行面跌落的仿真分析，得到緩沖襯墊的應(yīng)力云圖和最大加速度曲線，分別如圖4和圖5所示。

圖4 緩沖襯墊面跌落應(yīng)力云圖Fig.4 Nephogram of drop stress on cushion pad surface

圖5 緩沖襯墊面跌落加速度曲線Fig.5 Drop acceleration curve of cushion pad surface

由圖4可以看到，應(yīng)力集中在襯墊與空氣凈化器的接觸面以及襯墊的固定插入開槽處，外瓦楞紙箱的應(yīng)力集中在瓦楞紙箱底部以及4個角落處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與跌落棱最相近的下襯墊的固定開槽處。在跌落過程中緩沖襯墊的最大應(yīng)力為2.033 MPa，未超過AB雙層瓦楞紙板的最大應(yīng)力 2.38 MPa［15-16］。

由圖5可以看出，跌落緩沖過程中，運(yùn)輸單元與地面接觸瞬間獲得的最大加速度約為56.01 g，此加速度小于內(nèi)裝物空氣凈化器的脆值80 g，因此，在60 cm處進(jìn)行面跌落時，運(yùn)輸單元對空氣凈化器起到了較好的緩沖作用。

3.3.2 棱跌落仿真結(jié)果分析

根據(jù)所建立的運(yùn)輸單元模型和網(wǎng)格劃分結(jié)果，在60 cm的跌落高度對緩沖單元進(jìn)行了棱跌落的仿真分析，得到了緩沖襯墊的應(yīng)力云圖和最大加速度曲線，分別如圖6和圖7所示。

圖6 緩沖襯墊棱跌落應(yīng)力云圖Fig.6 Nephogram of drop stress of cushion pad edge

圖7 緩沖襯墊棱跌落加速度曲線Fig.7 Drop acceleration curve of cushion pad edge

由圖6可知，在60 cm高度進(jìn)行棱跌落時，應(yīng)力集中在瓦楞紙箱以及襯墊的棱角處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與跌落棱最相近的下襯墊的固定開槽處。在跌落過程中緩沖襯墊的最大應(yīng)力為3.882 MPa，超過瓦楞紙板的極限應(yīng)力2.38 MPa，即在跌落的過程中緩沖襯墊有輕微破損。

由圖7可以看出，在棱跌落過程中，緩沖包裝件與地面接觸瞬間最大加速度約為15.3 g，小于內(nèi)裝物空氣凈化器的脆值80 g，可以對內(nèi)裝空氣凈化器起到保護(hù)作用［17-18］。

3.3.3 角跌落仿真結(jié)果分析

根據(jù)所建立的運(yùn)輸單元模型和網(wǎng)格劃分結(jié)果，在60 cm的跌落高度對緩沖單元進(jìn)行了角跌落的仿真分析，得到了緩沖襯墊的應(yīng)力云圖和最大加速度曲線，分別如圖8和圖9所示。

圖8 緩沖襯墊角跌落應(yīng)力云圖Fig.8 Nephogram of cushion pad corner drop stress

圖9 緩沖襯墊角跌落加速度曲線Fig.9 Drop acceleration curve of cushion pad corner

根據(jù)圖8可知，在60 cm高度進(jìn)行角跌落時，應(yīng)力集中在瓦楞紙箱以及襯墊的跌落角處。在跌落過程中緩沖襯墊的最大應(yīng)力為4.847 MPa，超過AB雙層瓦楞紙板的極限應(yīng)力2.38 MPa，說明襯墊在60 cm處進(jìn)行角跌落發(fā)生失效。

由圖9可知，與地面接觸瞬間最大加速度約為27.4 g，小于內(nèi)裝物空氣凈化器的脆值80 g。

綜上所述，設(shè)計的緩沖襯墊在60 cm進(jìn)行面跌落時，緩沖襯墊的最大應(yīng)力為2.033 MPa，低于紙板的極限應(yīng)力2.38 MPa，而在進(jìn)行角跌落和棱跌落時，其最大應(yīng)力分別為4.847 MPa和3.822 MPa，超過了瓦楞紙板的極限應(yīng)力，故在60 cm跌落處緩沖襯墊出現(xiàn)了輕微破損。但由于3種跌落方式產(chǎn)生的最大加速度分別為56.0 g、27.4 g和15.3 g，均小于產(chǎn)品的脆值80 g，因此，內(nèi)裝物在跌落過程中未發(fā)生破損，緩沖襯墊仍具有一定的保護(hù)作用。為了消除緩沖襯墊在跌落過程中發(fā)生的破損，需要對所設(shè)計的緩沖襯墊結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。

3.4 緩沖襯墊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對60 cm的棱跌落和角跌落出現(xiàn)的最大應(yīng)力高于緩沖材料的極限應(yīng)力，對所設(shè)計的緩沖襯墊結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方案，使其更具有合理性。

（1）增大緩沖距離。適當(dāng)?shù)卦龃?個角以及上下底面的緩沖距離，增大空氣凈化器與緩沖襯墊的接觸面積，從而分散所受到的應(yīng)力。

（2）對結(jié)構(gòu)增加支撐。對于靜態(tài)分析和面、棱、角跌落的應(yīng)力主要集中在4個固定的插入支撐處的情況，考慮對結(jié)構(gòu)增加額外的支撐，對底面進(jìn)行裁切使其窩折到與另一底面接觸，增加接觸面積，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

除4個角的插合處固定之外，為防止其變形，在4個角落處的空心圓柱內(nèi)再添加一個支撐結(jié)構(gòu)，提高其穩(wěn)定性。具體改進(jìn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 緩沖包裝襯墊優(yōu)化結(jié)構(gòu)效果圖Fig.10 Effect diagram of cushion packaging liner optimization structure

4 結(jié)語

針對目前市面上所售的空氣凈化器，在基于“綠色包裝”理念的基礎(chǔ)上，采用瓦楞紙板進(jìn)行一頁成型的結(jié)構(gòu)，設(shè)計成緩沖襯墊，并在60 cm的高度下進(jìn)行面、棱、角的動態(tài)跌落分析。仿真結(jié)果表明，在60 cm進(jìn)行角跌落和棱跌落時，緩沖襯墊的最大應(yīng)力超過了瓦楞紙板的極限應(yīng)力，緩沖襯墊出現(xiàn)輕微破損，但在跌落過程中產(chǎn)生的最大加速度小于產(chǎn)品的脆值，因此，緩沖襯墊對內(nèi)裝物起到一定的保護(hù)作用。針對跌落過程中出現(xiàn)的問題，對襯墊提出進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，提高襯墊的強(qiáng)度，使其在更高的環(huán)境下跌落也可實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的防護(hù)，更進(jìn)一步地提高實(shí)際生產(chǎn)中的可行性，減少包裝材料的使用量，降低成本，提高緩沖包裝的生產(chǎn)效率，為空氣凈化器緩沖包裝的可持續(xù)生產(chǎn)和穩(wěn)定的流通過程提供技術(shù)支持。