智能物流環(huán)境監(jiān)測儀包裝設(shè)計及跌落仿真

李燕華，鄭永發(fā)，黎珍，王領(lǐng)，孫百會

（1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，珠海 519000；2.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點實驗室，珠海 519000）

引言

產(chǎn)品從出貨到消費者手中，需要經(jīng)歷運輸、中轉(zhuǎn)、裝卸、倉儲等環(huán)節(jié)，其中可能遭遇振動、沖擊、跌落等危害繼而造成損壞[1]。定量了解產(chǎn)品實際物流環(huán)境是制定合理測試標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計恰當(dāng)包裝的關(guān)鍵。為此，眾多研究者[2-10]利用物流環(huán)境監(jiān)測設(shè)備對不同運輸方式和不同貨物的物流運輸環(huán)境進(jìn)行大量測試和研究，識別、再現(xiàn)了貨物狀態(tài)、破壞機(jī)制，典型的元數(shù)據(jù)也歸納到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中。

基于MEMS傳感器和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對MEMS三軸加速度傳感器、溫濕度傳感器與中央處理器、定位、4G數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊、存儲模塊和電池等進(jìn)行系統(tǒng)集成，開發(fā)了一款高性能、低成本的智能物流環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測、跟蹤、記錄貨物物流運輸全流程中遭遇的振動、沖擊、跌落、溫濕度等危害環(huán)境數(shù)據(jù)的功能。智能物流環(huán)境監(jiān)測儀是高精密儀器產(chǎn)品，運輸?shù)较M者手中時，自身包裝的保護(hù)性也是開發(fā)智能監(jiān)測儀的重要一環(huán)。

本文針對某型智能物流環(huán)境監(jiān)測儀設(shè)計一款包裝，并利用有限元軟件對其進(jìn)行跌落仿真分析，以檢驗所設(shè)計緩沖包裝結(jié)構(gòu)對物流環(huán)境監(jiān)測儀的保護(hù)作用。

1 緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的外觀結(jié)構(gòu)為規(guī)整的矩形結(jié)構(gòu)，根據(jù)公司緩沖材料設(shè)計要求，智能物流環(huán)境檢測儀的緩沖包裝材料采用兩個厚度為5 mm的EPE材料，包裹在智能監(jiān)測儀的兩端，如圖1所示。為確保產(chǎn)品的保護(hù)效果及包裝外觀的美觀性，產(chǎn)品外殼包裝采用單瓦楞E坑簡箱。

圖1 智能監(jiān)測儀包裝圖

2 有限元模型建立

2.1 模型簡化

智能物流環(huán)境監(jiān)測儀主要包括前殼、后殼、隔板、PCB板和電池等部件。包裝材料有EPE墊片及瓦楞紙箱。EPE緩沖材料可以很好的緩解外力對產(chǎn)品的沖擊[11]。為了平衡仿真精度和求解速度，將智能物流環(huán)境監(jiān)測儀模型上的對仿真結(jié)果影響不大的不重要特征簡化或省去，簡化后的智能監(jiān)測儀爆炸圖如圖2所示。

圖2 智能物流環(huán)境監(jiān)測儀簡化圖

2.2 網(wǎng)格劃分及單元類型賦予

智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的前殼、后殼、PCB板、隔板、瓦楞紙箱等零件都屬于薄殼類零件，對其進(jìn)行中面抽取處理，并劃分2D網(wǎng)格，可以降低網(wǎng)格劃分難度并提升分析速度[12]。對于類似EPE墊片、電池等規(guī)則零件可以直接采用六面體網(wǎng)格。

單元屬性會影響到仿真計算速度和結(jié)果精度。實體單元采用Belytschko-Tsay算法，其計算速度較快。殼體單元采用全積分函數(shù)算法，可以很好的預(yù)防沙漏和解決單元翹曲問題，其積分點個數(shù)取3，并且根據(jù)零件真實厚度賦予單元厚度[13,14]。

2.3 材料模型

智能物流環(huán)境監(jiān)測儀產(chǎn)品及包裝主要用料有PCABS、PC、ABS，緩沖材料有EPE和瓦楞紙板。電池結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但考慮到在產(chǎn)品跌落沖擊中一般不發(fā)生破壞，仿真中將其等效為一個實體結(jié)構(gòu)，材料用ABS材料屬性代替，通過調(diào)整材料密度保證電池整體重量不變。具體材料屬性見表1。

表1 智能物流環(huán)境監(jiān)測儀關(guān)鍵部件材料參數(shù)

2.4 接觸設(shè)置

在整個跌落仿真過程中智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的接觸主要包括紙箱與緩沖材料、緩沖材料與智能物流環(huán)境監(jiān)測儀外殼、智能物流環(huán)境監(jiān)測儀各零部件之間的接觸。在智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的螺釘位置上增加螺栓約束代替螺釘約束，電池與后殼的膠粘約束用TIDE_NODES_TO_SURFACE接觸類型來代替。其余接觸關(guān)系采用自動單面接觸[15]。

2.5 跌落參數(shù)

在跌落過程中默認(rèn)物品為自由跌落，根據(jù)當(dāng)?shù)刂亓铀俣?.8 mm/s2，以及智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的試驗標(biāo)準(zhǔn)中的跌落高度1.2 m。由自由落體的計算公式：

計算出智能物流環(huán)境監(jiān)測儀觸地時的瞬時速度為4.85 m/s。跌落仿真主要查看物品觸地時和觸地后的動力學(xué)變化情況，在智能監(jiān)測儀觸地前這一大段時間的仿真不是主要觀察對象，所以將智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的離地高度設(shè)置為1 mm，給智能物流環(huán)境監(jiān)測儀施加一個4.85 m/s初速度，可以大大縮短計算時間。在離智能物流環(huán)境監(jiān)測儀最低點下方1 mm處添加一個剛性墻來模擬代替地面，如圖3所示。

圖3 跌落設(shè)置

2.6 輸出參數(shù)定義

在跌落仿真歷程中，最主要分析的時間段是產(chǎn)品外包裝觸地、變形、回彈這一段時間內(nèi)的各項數(shù)據(jù)。如何設(shè)置求解時間、輸出步數(shù)將會影響到求解速度和求解結(jié)果的查看。本次仿真將仿真時間設(shè)置為0.05 s，輸出步數(shù)為100步。

3 結(jié)果分析

3.1 能量分析

智能物流環(huán)境監(jiān)測儀在不同狀態(tài)下跌落，過程中的能量轉(zhuǎn)換曲線如圖4所示。

從圖4可以看出智能監(jiān)測儀在不同狀態(tài)下跌落的過程中智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的動能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化過程，在整個過程中符合能量守恒定律。由于跌落姿態(tài)的不同可以看出智能物流環(huán)境監(jiān)測儀緩沖材料EPE墊片的吸能效果有所差異。面跌落過程中在0.004 s左右壓縮變形量達(dá)到最大，系統(tǒng)動能降到最小轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。在0.004 s到0.005 s期間，緩沖材料恢復(fù)形變，內(nèi)能釋放重新轉(zhuǎn)換為動能。而棱跌落和腳跌落由于跌落姿態(tài)更加惡劣，會對緩沖包裝材料造成一定的損傷，所有棱跌落和腳跌落的最大變形量點來的更晚，并且由于對緩沖材料造成一定的損傷，所以緩沖材料無法完全恢復(fù)形變，最終的動能略低于面跌落的最后動能。

圖4 跌落能量轉(zhuǎn)換曲線

3.2 應(yīng)力分析

3.2.1 面跌落

根據(jù)圖4可知，當(dāng)動能降到最低時，內(nèi)能達(dá)到最大值，整體壓壓縮變形最大，面跌落此時緩沖材料及智能監(jiān)測儀主要零部件的應(yīng)力如圖5所示。

從圖5可以看出在面跌落過程中瓦楞紙箱的最大應(yīng)力出現(xiàn)在瓦楞紙箱底部為1.36 MPa，大于瓦楞紙箱的屈服極限1.05 MPa。下緩沖墊片EPE兩長棱的內(nèi)角應(yīng)力較大，最大應(yīng)力點為2.234 MPa。智能物流環(huán)境檢測儀的主要受力點在底面內(nèi)側(cè)的兩條限位筋條上，最大應(yīng)力為17.43 MPa遠(yuǎn)小于PC/ABS的極限應(yīng)力75 MPa。所以在面跌落過程中改緩沖材料可以很好的吸收能量，保護(hù)智能物流環(huán)境監(jiān)測儀不受損壞。

圖5 面跌落應(yīng)力云圖

3.2.2 棱跌落

選取底面的短棱做跌落棱，使智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的中心穿過此棱且垂直于底面，智能物流環(huán)境監(jiān)測儀及其緩沖包裝材料的應(yīng)力云圖如圖6所示。

從圖6可以看出在棱跌落過程中紙箱主要是跌落棱受力，最大應(yīng)力點在跌落棱的兩側(cè)達(dá)到4.933 MPa，超過了瓦楞紙箱的屈服強度1.05 MPa。下緩沖墊片主要跌落棱受力壓縮變形嚴(yán)重，跌落棱內(nèi)側(cè)部分單元失效，最大應(yīng)力達(dá)3 MPa。智能物流環(huán)境監(jiān)測儀在棱跌落過程中只要是螺釘空位處受力嚴(yán)重，最大應(yīng)力達(dá)到17.31 MPa，但是遠(yuǎn)小于PC/ABS的極限應(yīng)力75 MPa，也遠(yuǎn)小于螺釘?shù)募羟袘?yīng)力。所以在棱跌落過程中雖然對外包裝箱和下緩沖材料EPE造成一定的損壞，但是吸收了大部分能量，可以保護(hù)監(jiān)測儀在棱跌落過程中不受損壞。

圖6 棱跌落應(yīng)力云圖

3.2.3 角跌落

以底面的任意一個角做角跌落，使智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的重心穿過選取的角，且垂直于底面。智能物流環(huán)境監(jiān)測儀及其包裝的應(yīng)力云圖如圖7所示。

從圖7可以看出，在角跌落過程中紙箱主要受力位置在跌落角及角上的三條棱處，最大應(yīng)力點在角上，為5.816 MPa超過了瓦楞紙箱的屈服強度。下緩沖墊片EPE主要受力點也是在跌落角及角上的三條棱上，最大應(yīng)力點在跌落角上為3.011 MPa，跌落角及角上的三條棱部分單元失效。智能檢測儀在角跌落過程中主要受力點在螺釘孔位處，最大應(yīng)力點為26.97 MPa，小于PC/ABS的極限應(yīng)力75 MPa。所有在角跌落過程中智能物流環(huán)境監(jiān)測儀的瓦楞紙箱和下緩沖墊片會受到一定成都的變形損壞，但是可以很好的保護(hù)智能物流環(huán)境監(jiān)測儀在角跌落過程中不受損壞。

圖7 角跌落應(yīng)力云圖

3.3 跌落試驗

智能物流環(huán)境監(jiān)測儀按照試驗標(biāo)準(zhǔn)做一角三棱六面跌落，跌落高度為1.2 m，試驗結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出僅是瓦楞紙箱的跌落角和跌落棱有一定的褶皺損傷，緩沖墊片EPE的棱角處有一點凹痕，智能物流環(huán)境監(jiān)測儀沒有受到損傷。

圖8 智能物流環(huán)境監(jiān)測儀跌落試驗

4 結(jié)論

以某智能物流環(huán)境監(jiān)測儀為研究對象，設(shè)計了以EPE和瓦楞紙箱為主要材料的緩沖包裝，并對其進(jìn)行了跌落仿真分析和試驗驗證。從仿真和試驗結(jié)果對比可以看出仿真結(jié)果可信度較高。仿真結(jié)果表明，盡管瓦楞紙箱和緩沖墊片雖有一定區(qū)域超過其屈服極限，但是在跌落過程中很好的吸收了能量，保證智能監(jiān)測儀在運輸存儲過程中的可靠性。因此，在為產(chǎn)品設(shè)計包裝結(jié)構(gòu)時，可以先利用有限元分析驗證，保證所包裝設(shè)計的可靠性，同時降低反復(fù)整改成本，縮短開發(fā)周期。