改善产品的包装质量 基于CAE的冰箱产品结构与外包装方案优化

       目前电冰箱产品的包装占产品总成本较高的比例,而市场反馈产品的包装质量不佳,产品损坏率较高。改善产品的包装质量,提高产品开箱合格率,有利于提升品牌形象,有利于降低运输损坏率,降低产品的维修成本。借助ＣＡＥ软件,查找产品结构设计与包装设计中的不足之处,降低产品的包装成本,提高产品的包装质量,使产品在运输过程中得到较好的保护。

　　1　冰箱左、右侧垫包装结构分析与优化

　　对于冰箱左右侧的破坏通常为戳穿和冲击,试验室测试采用横木撞击试验。冰箱结构件的材料为:冷轧钢板、ＡＢＳ、ＰＵ发泡层,外包装件材料为:纸箱、ＥＰＳ泡沫。纸箱板为各向异性材料:沿瓦楞方向Ｅ1=10ＭＰａ,垂直瓦楞方向Ｅ2=25ＭＰａ,纸板法向Ｅ3=100ＭＰａ,耐破强度为1.765ＭＰａ。ＥＰＳ泡沫假设为各向同性材料,取Ｅ=1.3ＭＰａ。

　　利用ＣＡＥ技术,研究冰箱包装件结构改变以及包装板的瓦愣方向改变后抵抗外来冲击的能力,并力求在降低材料用量的前提下,提高抵抗外来冲击的能力。

　　ａ.戳穿ＣＡＥ分析:针对冰箱的侧垫结构纸箱板的结构,拟定了4种组合方案,园孔、长园孔分别与纵向、横向瓦愣板配合,在改变结构尺寸参数的情况下,利用ＣＡＥ软件进行戳穿分析和评价,达到优化结构的目的。选择侧垫最薄弱的中部开孔部位分别承受点载荷、20×20、20×40、20×60区域均布载荷,载荷大小为250Ｎ;

　　ｂ.横木撞击ＣＡＥ分析:根据ＧＢ1019-89的规定:横木撞击试验后冰箱不得有机械损伤和变形,横木尺寸为100×100,冰箱距离横木的距离为1ｍ。

　　由图2中可以看出,最大变形量为3.186ｍｍ,横木不可能接触冰箱,其冲击力不至于使冰箱外壳产生变形,所以不管是横向纸板、还是纵向纸板,采用上述2种泡沫板结构都能够通过相关的试验,从分析的结果来看,只要包装纸箱板与内泡沫垫的配合合理,就可以实现在材料用量减少12%的前提下,外包装改进后产品抵抗的能力提高约10%。现将分析的结果归纳如下表1。

　　2　冰箱前、后垫结构分析与优化

　　图3为包装截面简图,纸箱瓦楞方向由纵向改为横向,将前后垫宽度由400减小200ｍｍ,厚度由10增加18ｍｍ,材料用量减少5.7%,给定外载荷250Ｎ,经过ＣＡＥ分析计算,冰箱前后垫的改进方案与泡沫配合之后能够抵抗外来冲击的能力提高了30%左右,能够通过横木撞击试验。

　　在此基础上对抵抗戳穿的能力也进行了分析和改进,由图4可以看出,最大变形量为28.4ｍｍ,未与门接触。从图5应力云图中可以清楚地看出纸箱受力部位应力最大值为1.32Ｍｐａ。小于耐破强度1.76Ｍｐａ,结构改进后,冰箱前后垫抵抗横木撞击的能力得到了提高,也就是说对门体的保护效果有所增强。

　　3　冰箱侧板变形及加强板结构分析

　　对侧板进行分析对比分析,寻找侧板在发泡、运输过程中的变形原因,查找结构设计、生产制造中的不足之处,为设计和制造质量控制提供指导依据。

　　ａ.发泡过程受力分析。根据已知条件在零件各处定义边界条件,将侧板底部固定,由于发泡模具精度误差,使侧板上端产生0.5ｍｍ或1ｍｍ位移,然后在侧板大平面上施加发泡塑料产生的压力,最大变形量为0.11ｍｍ,在光照下已可以清楚地看到,由此可见,发泡模具精度会对侧板变形产生一定程度影响;

　　ｂ.后底板海绵影响作用分析。由于冰箱发泡时为了保证泡料不从后底板漏出,需要采用海绵密封,海绵用量的多少直接对侧板的变形造成影响,以单层海绵为例进行分析,由变形图可以看出,使用单层海绵最大变形量为0.1275ｍｍ。随着海绵层数的增加,变形量日益加大,最多可大0.2ｍｍ。所以,后底板装配尺寸链以及海绵的厚度作用对侧板变形有较大程度的影响;

　　ｃ.加强铁装配不到位产生的影响。考虑到加强铁在实际装配时存在不到位的现象,分析时假定侧板下翻边有2ｍｍ间隙,侧板底部承受箱体自重载荷,发泡层与侧板接触部位固定,希望通过计算,观察压缩机舱部位的侧板的变形情况,分析加强铁装配不到位产生变形的影响程度。从分析图中可以看出,在侧板压缩机舱部位产生了较大变形,变形量为0.616ｍｍ,因此,加强铁装配不到位对侧板变形影响较大,应予重视;

　　ｄ.加强铁结构比较分析。通过对多种结构加强铁及与加强板的组合结构进行平跌落、角跌落、棱跌落ＣＡＥ分析,比较其应力及变形情况,从理论上确定合理的加强铁结构。通过比较发现引起变形的根本原因在于加强铁未能可靠的固定,在跌落过程中会引起串动,导致侧板有轻微的变形。加强铁的最大变形量为1.225ｍｍ,只要保证加强铁可靠的支撑到冰箱的后底板上,就可以抵抗冰箱角跌落的冲击。

　　由位移云图7中可以看出,加强铁前部的最大变形量为4.311ｍｍ。因此要消除冰箱的前角变形,必须加强加强铁的前端,取消加强铁前端的缺口,并将其装配到位,满足以上要求就可以抵抗角跌落的冲击。

　　4　冰箱底部跌落分析

　　对冰箱进行跌落分析,从理论上探讨底垫和压缩机托板、前端支撑的合理结构,为设计提供指导依据。

　　4.1　底垫结构分析

　　ａ.底垫后部结构分析:由图中可以看出,在跌落过程中压缩机托板滚轮内侧已接触底垫,产生的反力足可以使托板变形,该部位的底垫平面应避空超过15ｍｍ左右。

　　ｂ.前角墩脚分析:由图9可看出,跌落中底垫压缩量约10ｍｍ左右,此时,前调节脚已经与泡沫产生接触,并有承受较大的反作用力。

　　4.2　组合底垫结构分析

　　为了降低底垫的成本,提高冰箱抵抗冲击跌落的能力,拟定设计一种组合底垫,在冰箱跌落时能够承受跌落冲击,同时能够对冰箱起到保护作用,使材料成本得到降低。从应力云图可以看出,增加支撑柱零件与底垫泡沫组合,在跌落过程中,支撑柱最大应力值为24ＭＰａ。通过以上分析,设计的方案可以满足要求,实际的验证也证明了这一结论。

　　5　冰箱顶部承载分析

　　通过对冰箱顶部进行ＣＡＥ分析,寻找顶部零件的损坏原因,查找顶部结构设计中的不足之处,为问题的治理提供理论依据。ＣＡＥ技术模拟堆放运输及搬运、装卸过程,由应力云图中可以看出,顶盖最大应力值为10.95ＭＰａ,小于抗拉强度最小值18ＭＰａ,但已远超过材料在低温下(-40℃)抗冲击强度2ＭＰａ,因此冰箱在冬天运输装卸时应尽量避免冲击载荷,顶盖边缘部位比较危险,应该增加加强筋在内部增加泡沫垫抵抗冲击力。

　　6　结　语

　　项目的研究成果已开始在产品得到应用,通过实际的测试验证,在标准提高的条件下满足了相应的测试要求,冰箱外包装前后垫泡沫材料用量降低了10%左右,包装纸箱的瓦楞方向由纵向改为横向,降低了对生产设备的要求,拓宽了原材料的供应渠道;冰箱结构件改进后,金属材料的用量减少了约2ｋｇ。项目的实施达到了预期的目标,为企业创造了良好的经济效益,同时具有良好的社会效益。

信息来源：3D动力网