基于有限元分析的筆記本紙漿模制品包裝改進(jìn)設(shè)計

張書煒，賈代濤，黃孟凱，韋明堂，郭晉婷

基于有限元分析的筆記本紙漿模制品包裝改進(jìn)設(shè)計

張書煒，賈代濤，黃孟凱，韋明堂，郭晉婷

（合肥聯(lián)寶信息技術(shù)有限公司，合肥 230071）

在跌落工況下驗(yàn)證筆記本紙漿模制品對產(chǎn)品的保護(hù)性，并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。使用Creo對筆記本電腦及緩沖包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計，根據(jù)實(shí)際的物理跌落試驗(yàn)工況建立跌落仿真模型，通過ABAQUS/Explicit進(jìn)行仿真分析，得到產(chǎn)品跌落加速度曲線和產(chǎn)品應(yīng)力應(yīng)變云圖。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行緩沖包裝設(shè)計改進(jìn)，對改進(jìn)后的方案再次進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。初步設(shè)計方案的正面跌落加速度達(dá)到160.1，超過規(guī)定值120，且鍵盤面板塑性應(yīng)變達(dá)到4.95%，存在較大變形風(fēng)險。紙漿模制品緩沖結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，跌落時正面、側(cè)面和底面的跌落加速度分別為118.5、98.2、101.2，均處于規(guī)定值范圍內(nèi)。鍵盤面板塑性應(yīng)變降低至0.14%，符合要求。此外，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測結(jié)果基本吻合，仿真過程能較好地反映包裝制品與產(chǎn)品的跌落碰撞過程。通過有限元分析法進(jìn)行跌落仿真分析，相較于傳統(tǒng)的試驗(yàn)法，能快速、準(zhǔn)確地找到包裝方案的風(fēng)險點(diǎn)，可為產(chǎn)品的緩沖包裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計奠定良好基礎(chǔ)。

仿真分析；紙漿模制品；緩沖包裝；塑性應(yīng)變；跌落試驗(yàn)

紙漿模塑制品是一種以可再生植物纖維為主要原材料，通過模具成型制成的緩沖包裝，具有環(huán)保、可降解的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的包裝材料。

紙漿模制品包裝能否提供有效的緩沖保護(hù)，除了材料構(gòu)成與加工工藝，主要體現(xiàn)在紙漿模制品結(jié)構(gòu)上。與發(fā)泡類材料緩沖機(jī)理不同的是，紙漿模制品是依靠結(jié)構(gòu)變形來吸收能量，從而達(dá)到緩沖的目的[1-3]。目前對于紙漿模塑制品的設(shè)計尚缺乏有效的理論基礎(chǔ)，依靠經(jīng)驗(yàn)和試錯法進(jìn)行設(shè)計可能會造成反復(fù)設(shè)計與測試，帶來成本上升、周期延長等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了紙漿模制品在工業(yè)產(chǎn)品包裝中的廣泛應(yīng)用。利用有限元法的CAE分析能夠?qū)垵{模制品包裝與產(chǎn)品所構(gòu)成的包裝件進(jìn)行跌落仿真，并獲得產(chǎn)品在整個跌落過程中的運(yùn)動軌跡，各部位所受的沖擊載荷、加速度值以及緩沖包裝的變形和能量吸收數(shù)據(jù)，有利于在不開模驗(yàn)證的前提下改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計。CADGE D和GROOTHUISA S等[4-5]采用有限元分析法對鼠標(biāo)和印刷電路板的整個跌落過程進(jìn)行了仿真分析，對各零部件的跌落沖擊響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行采集與分析。這些數(shù)據(jù)的分析結(jié)果能夠使包裝設(shè)計趨于合理，并可對初始設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，從而縮短開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。何雯等[6]采用Ansys Workbench研究了薄型煙機(jī)包裝跌落狀態(tài)下的變形問題，并根據(jù)仿真結(jié)果提出適當(dāng)增加外殼的緩沖接觸面積，或在產(chǎn)品跨度的中央位置放置吸能緩沖塊的方法來解決外殼變形問題。劉永輝等[7]基于有限元理論實(shí)現(xiàn)了某型全自動洗衣機(jī)在跌落沖擊載荷下的仿真分析，仿真結(jié)果預(yù)測了箱體局部區(qū)域會發(fā)生起皺變形缺陷，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。同時，研究人員還基于分析結(jié)果對產(chǎn)品薄弱區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計，對包裝局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，滿足了跌落試驗(yàn)要求，證明了這種“基于仿真的設(shè)計方法”的可靠性，為包裝開發(fā)提供了一種新的有效手段。

包裝件跌落通常發(fā)生在極短的時間內(nèi)，是一種瞬時、復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程，一般包含了幾何非線性，材料的非線性和接觸非線性，因此，包裝跌落仿真屬于瞬態(tài)動力學(xué)分析，是一種用于確定承受任意隨時間變化載荷的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的一種方法[8]。其基本運(yùn)動方程見式（1）。

ABAQUS/Explicit可以運(yùn)用中心差分法對加速度積分得到節(jié)點(diǎn)速度方程，并再次對節(jié)點(diǎn)速度方程積分求解出位移方程的方法求解動力學(xué)問題，并高效地完成復(fù)雜非線性的跌落仿真工作[9-10]。根據(jù)企業(yè)的測試標(biāo)準(zhǔn)，包裝件的跌落高度為910 mm，跌落方式為一角三棱六面，為節(jié)約計算資源，該研究重點(diǎn)關(guān)注面跌落。文中運(yùn)用ABAQUS/Explicit對某型號筆記本電腦面跌落過程進(jìn)行了仿真分析，預(yù)測在特定的試驗(yàn)條件下紙漿模包裝對產(chǎn)品的保護(hù)性。根據(jù)仿真結(jié)果，在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上對緩沖包裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)，并通過實(shí)際的物理測試驗(yàn)證了改進(jìn)前后仿真分析的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 筆記本包裝件有限元模型的建立

文中選用的實(shí)驗(yàn)對象為某型號筆記本電腦，包裝件由瓦楞紙箱、紙漿模制緩沖襯墊、產(chǎn)品和附件盒組成（圖1）。其中，紙漿模制襯墊由上下對稱的2部分組成，襯墊分別采用兩端折疊的結(jié)構(gòu)將產(chǎn)品夾持并固定。由于筆記本內(nèi)部零件較多，若直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分會導(dǎo)致單元數(shù)量過多和單元質(zhì)量不佳等問題，從而影響計算效率和精度。文中首先使用Creo對產(chǎn)品幾何模型進(jìn)行簡化處理，一是對仿真分析結(jié)果影響較小的一些細(xì)小零件或結(jié)構(gòu)工藝特征進(jìn)行簡化，如小于0.1 mm的倒角、圓孔、圓角、溝槽等細(xì)小結(jié)構(gòu)；二是對內(nèi)部非結(jié)構(gòu)零件以保留外輪廓，增加配重的方式進(jìn)行簡化處理，簡化后不能影響產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)特性和重要連接關(guān)系。

圖1 筆記本包裝件有限元模型

1.1 網(wǎng)格及單元類型

在仿真計算中，網(wǎng)格質(zhì)量對計算效率和精度有較大影響，因此高質(zhì)量的網(wǎng)格是獲得較為準(zhǔn)確結(jié)果的前提條件。待網(wǎng)格劃分完成后，檢查網(wǎng)格質(zhì)量并調(diào)整網(wǎng)格，直至殼單元最小尺寸大于0.2 mm、長寬比小于5、最小角度為15°、最大角度為140°、雅可比大于0.3，體單元塌縮比小于0.3，體積扭曲比小于0.9。

單元類型的選擇要綜合考慮產(chǎn)品材料特性、分析類型和單元特點(diǎn)。筆記本內(nèi)部規(guī)則形狀的實(shí)體部件選用八節(jié)點(diǎn)線性六面體的C3D8單元，鋁沖壓件、鈑金件和紙漿模制品為均勻厚度的薄壁結(jié)構(gòu)，同時為避免沙漏現(xiàn)象，通常抽取中面并選擇具有膜和彎曲特征的四節(jié)點(diǎn)S4殼單元，其余實(shí)體結(jié)構(gòu)使用四節(jié)點(diǎn)線性四面體的C3D4單元。

1.2 材料參數(shù)

為準(zhǔn)確反應(yīng)包裝件在跌落過程中內(nèi)部各部件的真實(shí)狀態(tài)，需要對不同材料賦予對應(yīng)的材料屬性，主要包括材料的密度、彈性模量、泊松比。筆記本電腦的主要零部件包含產(chǎn)品外殼、主板、電池包、顯示面板、風(fēng)扇、散熱片和連接件等，其主要材質(zhì)有鋁合金（Al）、聚碳酸酯合金塑料（PC/ABS）、銅（Cu）、鍍鋅鋼板（SECC）、不銹鋼（SUS301）、液晶聚合物（LCP）等。筆記本電腦及包裝件材料參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 產(chǎn)品及包裝件主要材質(zhì)參數(shù)

Tab.1 Main materials and parameters of product and package

作為緩沖結(jié)構(gòu)件，紙漿模制襯墊的材料屬性對整個跌落仿真分析起著至關(guān)重要的作用。研究表明紙漿模制品是一種非線性材料，在受力后其變形可分為線彈性階段和塑性階段，其塑性階段符合雙曲正切型材料特征，在實(shí)際使用過程中很大程度上都是利用自身結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收能量[11-12]，從而達(dá)到緩沖的目的。表1中紙漿模制品的簡單彈塑性材料模型已不能準(zhǔn)確反映其材料特性，為更加準(zhǔn)確地反映紙漿模制品的材料性能，對紙漿模片材進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，并將所得到的名義應(yīng)力和應(yīng)變轉(zhuǎn)換成ABAQUS中材料塑性階段所要求的真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變[13]，見式（2—3）。

經(jīng)式（2—3）計算后，得到紙漿模制品真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖2。

圖2 紙漿模塑材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.3 接觸關(guān)系及跌落工況設(shè)定

研究中，跌落仿真的地面由固定的剛性平面表示。為了縮短求解時間，以包裝件觸地瞬間速度4.2 m/s作為初始速度，從初始接觸時刻開始計算，重力加速度取9.8 m/s2。在接觸分析中，接觸類型采用ABAQUS中的通用接觸算法，所有接觸設(shè)定為自接觸，選定罰函數(shù)（摩擦因數(shù)為0.3）作為摩擦公式定義整體接觸屬性，用于筆記本包裝件的接觸問題分析。研究選取筆記本的3個相鄰面，即正面、側(cè)面和底面建立跌落仿真模型（圖3），并進(jìn)行求解。

2 仿真過程和結(jié)果分析

跌落仿真涉及材料非線性、幾何非線性和接觸非線性，因此有限元模型的準(zhǔn)確性直接影響計算結(jié)果的可靠性。研究通過分析筆記本包裝件在跌落仿真過程中應(yīng)力應(yīng)變的動態(tài)變化和能量變化作為仿真結(jié)果可靠性的判斷依據(jù)。

對初步設(shè)計方案的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，有限元模型在跌落過程中未發(fā)生穿透、單元畸變等異?，F(xiàn)象。包裝件能量變化圖（圖4a）表明，跌落過程總能量基本保持恒定，內(nèi)能先增大后減小，動能則與之相反，這是因?yàn)樽矒暨^程可分解為：初始時刻，包裝件觸地瞬間速度達(dá)到最大值，此時動能最大，內(nèi)能最小；在碰撞前半段，包裝件在受到剛性地面的作用后開始產(chǎn)生變形吸能并開始減速，動能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增大；在碰撞后半段，襯墊壓縮至最低點(diǎn)后開始回彈，部分內(nèi)能又轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。偽?yīng)變能（ALLAE）與內(nèi)能（ALLIE）比值最大值為4.8%＜5%（圖4b），滿足ABAQUS/Explicit常用的能量評估標(biāo)準(zhǔn)[8]，因此，基于能量變化分析，該仿真模型符合能量守恒定律，其結(jié)果具有一定可靠性。

圖3 包裝件跌落狀態(tài)

2.1 初步方案仿真分析及包裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)

產(chǎn)品包裝件跌落測試的判定主要以筆記本跌落加速度和外觀結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變形2個方面綜合評估。與之對應(yīng)，該研究也將以產(chǎn)品跌落加速度、材料所受米塞斯(Mises)應(yīng)力與外觀件是否發(fā)生塑性形變作為依據(jù)對仿真結(jié)果進(jìn)行判定[14]。文中采用ABAQUS/ Explicit作為求解器，經(jīng)計算與分析，該包裝件跌落時，主要風(fēng)險均發(fā)生在正面跌落（圖3a）過程中，存在跌落加速度值超出保護(hù)要求值范圍，鍵盤面板局部區(qū)域發(fā)生塑性形變和顯示面板（LCD）外殼卡鉤錯位等問題。3種跌落狀態(tài)下的仿真加速度變化曲線見圖5a，其中正面跌落時，最大加速度達(dá)到160.1，超過企業(yè)內(nèi)部規(guī)定的120。在正面跌落時，產(chǎn)品鍵盤面板USB接口處Mises應(yīng)力達(dá)到207.1 MPa（圖5b），超過材料屈服應(yīng)力190 MPa，導(dǎo)致其發(fā)生不可恢復(fù)的塑性形變[15]，產(chǎn)生“鼓包”現(xiàn)象，其中最大塑性應(yīng)變達(dá)到了4.95%（圖5c）。其次，LCD機(jī)殼在跌落過程中卡鉤咬合接觸量偏低，發(fā)生錯位（圖5d）。

對初步設(shè)計方案的仿真數(shù)據(jù)與云圖進(jìn)行分析，正面跌落時加速度峰值偏大是因?yàn)榧埶芫彌_局部結(jié)構(gòu)承載能力過強(qiáng)，跌落過程中，緩沖襯墊變形所吸收的沖擊能量不足以使產(chǎn)品獲得保護(hù)導(dǎo)致[16-17]。鍵盤面板接口處的接觸應(yīng)力集中以及卡鉤結(jié)構(gòu)咬合量不足的原因是緩沖襯墊對接口部位和卡鉤部位提供的有效支撐不足。

針對初步設(shè)計方案中的風(fēng)險點(diǎn)，對紙塑緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。一是在筆記本電腦兩側(cè)接口位置的接觸包裝結(jié)構(gòu)上，對初步結(jié)構(gòu)設(shè)計中的兩端折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行非對稱設(shè)計，增加一端折疊結(jié)構(gòu)的長度來增加同等沖擊條件下的變形能力（圖6a），以降低接口處的Mises應(yīng)力。二是基于LCD機(jī)殼卡鉤位置，對紙塑支撐位寬度進(jìn)行差異化分布，使其中間寬兩邊窄，在不增加包覆寬度的前提下最大限度地包覆卡鉤區(qū)域（圖6b），以提升跌落過程中的LCD件卡鉤咬合接觸量。三是兩端限位結(jié)構(gòu)增加斜度以弱化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（圖6c），引導(dǎo)紙漿模包裝在外力作用下的變形，從而吸收較多的能量，降低跌落加速度值。

圖5 初步設(shè)計方案仿真結(jié)果

圖6 紙漿模制品結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后方案對比

2.2 改進(jìn)方案仿真分析

基于上述初步方案的仿真結(jié)果，對包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，并在相同跌落狀態(tài)條件下對改進(jìn)后的包裝件進(jìn)行仿真，計算后得出產(chǎn)品跌落加速度、鍵盤面板應(yīng)力應(yīng)變云圖和LCD機(jī)殼卡鉤最低咬合量示意圖，見圖7。包裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，正面跌落的加速度峰值由初步設(shè)計的160.1降低至118.5（圖7a），降幅約為25.98%。這是因?yàn)楦倪M(jìn)后，支撐位和折疊結(jié)構(gòu)增加了弧度，增大了紙漿模襯墊的變形，提升了正面跌落的緩沖性能。側(cè)面跌落加速度由115.2降低至98.2，降幅約14.76%，這是因?yàn)閭?cè)面限位結(jié)構(gòu)增加了斜度，降低了局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升緩沖性能。底面跌落加速度由103.9變?yōu)?01.2，基本保持不變，這是因?yàn)榈撞拷Y(jié)構(gòu)未進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)塑性應(yīng)變云圖（圖7c）可知，鍵盤面板等效塑性應(yīng)變降低為0.14%，低于規(guī)定值0.4%，滿足要求。同時，LCD機(jī)殼內(nèi)的卡鉤在整個跌落過程中最小咬合量提升至0.2 mm，未發(fā)生明顯錯位（圖7d）。相較于初步設(shè)計方案，改進(jìn)后的包裝方案能較大程度避免產(chǎn)品跌落失效及外觀件發(fā)生塑性形變問題。

3 仿真與實(shí)物測試結(jié)果對比

以改進(jìn)后的紙漿模包裝作為最終方案進(jìn)行制樣，并進(jìn)行包裝件的跌落試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的跌落機(jī)設(shè)備是CY-206翻板式跌落試驗(yàn)機(jī)，并由Lansmont 的Test Partner 3系統(tǒng)進(jìn)行信號采集與分析。測試過程中，將加速度傳感器緊貼于機(jī)器背面。按照GB/T 4857.5[18]采用B型瓦楞包裝箱的運(yùn)輸包裝件跌落試驗(yàn)方法依次在910 mm高度條件下進(jìn)行“一角三棱六面”的跌落，完成測試后對產(chǎn)品的外觀和功能進(jìn)行檢查，并分別取正面、側(cè)面和底面的跌落加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

完成跌落試驗(yàn)后，經(jīng)檢查，機(jī)器外觀未發(fā)生形變及卡鉤錯位現(xiàn)象，通電后機(jī)器功能檢查也未見異常。試驗(yàn)與仿真計算所得到的正面、側(cè)面和底面的跌落加速度峰值詳見圖8，分別為103.7、114.32和110.18。由圖8可知，仿真計算所得到的加速度曲線與實(shí)際測試的加速度曲線在10 ms的沖擊脈沖范圍內(nèi)變化趨勢接近，其峰值誤差分別為14.2%、?14.1%和?8.2%，這可能是因?yàn)樵诜抡嬷?，對產(chǎn)品模型中的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理，仿真模型與實(shí)際包裝件有一定差異。其次，該研究中未考慮材料應(yīng)變率效應(yīng)，因此其加速度峰值與實(shí)際存在一定誤差。綜合考慮加速度曲線的脈寬和整體趨勢，該筆記本包裝件跌落仿真模型能夠接近產(chǎn)品包裝件的實(shí)際跌落過程。

圖7 改進(jìn)方案仿真結(jié)果

圖8 產(chǎn)品跌落加速度曲線與仿真加速度曲線對比

4 結(jié)語

在對某型號的筆記本電腦進(jìn)行簡化建模的基礎(chǔ)上，采用紙漿模制品緩沖包裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)建立了筆記本包裝件的跌落仿真模型。通過ABAQUS/Explicit顯式動力學(xué)模塊對筆記本包裝件跌落過程進(jìn)行求解，基于仿真結(jié)果對包裝初步設(shè)計方案的襯墊支撐位置分布和局部緩沖結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)，并重新分析驗(yàn)證。以改進(jìn)后的設(shè)計方案為基礎(chǔ)進(jìn)行包裝件的加工生產(chǎn)。采用實(shí)際生產(chǎn)的紙漿模包裝制品作為緩沖包裝對筆記本進(jìn)行包裝件的物理跌落測試，取3個跌落方向的實(shí)際測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，表明此款筆記本的有限元建模、分析以及改進(jìn)設(shè)計能夠?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

相較于傳統(tǒng)通過反復(fù)試驗(yàn)對紙漿模制品進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn)的方法，有限元建模與分析能夠有效減少模具設(shè)計、加工、反復(fù)驗(yàn)證的周期及費(fèi)用，節(jié)約了人力和物力。

[1] 付志強(qiáng), 李蕓, 杜昱雯, 等. 紙漿模制波狀結(jié)構(gòu)緩沖性能的仿真影響因素[J]. 包裝工程, 2016, 37(21): 34-39.

FU Zhi-qiang, LI Yun, DU Yu-wen, et al. Influence Factors of Simulation on Testing the Cushioning Performance of Molded Pulps with Bi-Wave Structure[J]. Packaging Engineering, 2016, 37(21): 34-39.

[2] 王志偉, 彭春虎. 紙漿模塑制品沖擊承載能力和能量吸收分析[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報, 2013, 30(4): 593-597.

WANG Zhi-wei, PENG Chun-hu. Analysis for Impact Load Carrying Capacity and Energy Absorbing of Molded Pulp Products[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2013, 30(4): 593-597.

[3] WANG Zhi-wei, LI Xiao-fei. Effect of Strain Rate on Cushioning Properties of Molded Pulp Products[J]. Materials and Design, 2014, 57: 598-607.

[4] CADGE D, WANG H J. Drop Test Simulation of Electronic Devices Use Finite Element Method[J]. Electronic Components and Technology Conference, 2005, 16: 369-372.

[5] GROOTHUISA S, CHEN C. Parametric Investigation of Dynamic Behavior of FBGA Solder Joints in Board-Level Drop Simulation[J]. Electronic Components and Technology Conference, 2005, 21: 499-503.

[6] 何雯, 陳滿儒. 薄型煙機(jī)包裝實(shí)驗(yàn)室測試與跌落仿真分析[J]. 包裝工程, 2019, 40(3): 125-130.

HE Wen, CHEN Man-ru. Laboratory Test and Drop Simulation Analysis of Thin-Type Kitchen Ventilator Package[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(3): 125-130.

[7] 劉永輝, 張銀. 基于有限元分析的洗衣機(jī)跌落沖擊仿真及改進(jìn)設(shè)計[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(2): 164-166.

LIU Yong-hui, ZHANG Yin. Dropping Simulation and Design Improvement of a Washing Machine Based on FE Analysis[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(2): 164-166.

[8] 劉志峰, 張敬東, 成煥波. 基于ABAQUS顯式動力學(xué)的PCB板跌落研究[J]. 中國機(jī)械工程, 2012, 23(12): 1456-1461.

LIU Zhi-feng, ZHANG Jing-dong, CHENG Huan-bo. Research on PCB Collision Based on ABAQUS/Explicit Dynamic[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(12): 1456-1461.

[9] 李小麗. 非線性緩沖包裝系統(tǒng)沖擊特性的仿真研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2004: 33-38.

LI Xiao-li. Simulation Study On Shock Property of Package Cushioning System with Non-Linearity[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2004: 33-38.

[10] 石然然, 劉超, 元春峰. 筆記本跌落仿真分析及優(yōu)化[J]. 制造業(yè)自動化, 2015, 37(17): 41-43.

SHI Ran-ran, LIU Chao, YUAN Chun-feng. Laptop Drop Simulation Analysis and Optimization[J]. Manufacturing Automation, 2015, 37(17): 41-43.

[11] 趙釗, 張曉川, 王佼, 等. 紙漿模塑托盤對角剛度的跌落試驗(yàn)測試[J]. 包裝工程, 2012, 33(11): 1-4.

ZHAO Zhao, ZHANG Xiao-chuan, WANG Jiao, et al. Drop Test of Molded Pulp Pallet and Diagonal Stiffness Analysis[J]. Packaging Engineering, 2012, 33(11): 1-4.

[12] 鄧真. 紙漿模制品在動態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下的性能研究[D]. 天津: 天津科技大學(xué), 2011: 44-49.

DENG Zhen. Research on Performances of Molded Pulp Products under Dynamic Test[D]. Tianjin: Tianjin University of Science & Technology, 2011: 44-49.

[13] 計宏偉, 王懷文. 大型紙漿模塑平托盤彈塑性數(shù)值分析[J]. 包裝學(xué)報, 2011, 3(1): 7-10.

JI Hong-wei, WANG Huai-wen. Numerical Analysis of Elastoplasticity for Large-Scaled Molded Pulp Pallet[J]. Packaging Journal, 2011, 3(1): 7-10.

[14] MA H J, GAO Q. Drop Simulation Analysis of a Large Screen Mobile Phone[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 687-691: 275-278.

[15] 賈杏歌, 孫偉, 周俊麗, 等. 液晶顯示屏包裝件跌落仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 包裝工程, 2021, 42(1): 143-149.

JIA Xing-ge, SUN Wei, ZHOU Jun-li, et al. Simulation Analysis and Structure Optimization of LCD Display Package Drop[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(1): 143-149.

[16] 張偉, 郭彥峰, 郭引, 等. 一種紙漿模塑包裝制品的動態(tài)緩沖特性分析[J]. 中國造紙學(xué)報, 2015, 30(1): 46-49.

ZHANG Wei, GUO Yan-feng, GUO Yin, et al. Dynamic Cushioning Analysis on a Kind of Molded Pulp Structure[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2015, 30(1): 46-49.

[17] 唐杰, 肖生苓, 王全亮, 等. 吊燈燈罩紙漿模塑緩沖襯墊跌落仿真[J]. 包裝工程, 2017, 38(11): 69-73.

TANG Jie, XIAO Sheng-ling, WANG Quan-liang, et al. Drop Simulation of Molded Pulp Cushion Pad of Chandelier Lampshade[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(11): 69-73.

[18] GB/T 4857.5—1992, 包裝運(yùn)輸包裝件跌落試驗(yàn)方法[S].

GB/T 4857.5—1992, Packaging-Transport Packages-Vertical Impact Test Method by Dropping[S].

Design Improvement of Molded Pulp Package for Laptop Computer Based on Finite Element Analysis

ZHANG Shu-wei, JIA Dai-tao, HUANG Meng-kai, WEI Ming-tang, GUO Jin-ting

(Hefei LCFC Information Technology Co., Ltd., Hefei 230071, China)

The work aims to verify the protection of molded pulp package of laptop computer to products under drop conditions, and improve the design. The initial design of laptop and cushion package structure was built up with Creo. According to the actual physical drop test conditions, the drop simulation model was established, and the product drop acceleration curve and stress-strain nephogram were obtained by ABAQUS/Explicit simulation analysis. According to the simulation results, the cushion package design was improved, and the improved scheme was simulated and analyzed again and verified by experiment. The front-surface drop acceleration of the initial design scheme was up to 160.1, exceeding the allowable value of 120, and the plastic strain of the keyboard shell was up to 4.95%, presenting a greater risk of deformation. After the improvement of the cushion structure, the drop acceleration of the front, side, and bottom surfaces was 118.5, 98.2, and 101.2, respectively, within the allowable value range. The plastic strain of keyboard shell was reduced to 0.14%, meeting the requirements. In addition, the simulation results were basically consistent with the actual measurement results, and the simulation process could better reflect the drop collision process between the packaged product and the product. The drop simulation analysis by finite element analysis method can quickly and accurately find the risk points of the packaging scheme compared with the traditional test method, which can lay a good foundation for the design improvement of the cushion package.

simulation analysis; molded pulp; cushion package; plastic strain; drop test

TB485.3；TB487

A

1001-3563(2022)03-0175-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.022

2021-08-12

張書煒（1981—）男，工程師，主要研究方向?yàn)殡娮赢a(chǎn)品工業(yè)設(shè)計與緩沖包裝設(shè)計。