红外镜头跌落冲击仿真及缓冲包装方法选择研究

张云华，李 珊，刘冠玉，陈 骥，李洪兵

（1.昆明理工大学机电学院，昆明 650500；2.云南北方驰宏光电有限公司，昆明 650217）

红外镜头跌落冲击仿真及缓冲包装方法选择研究

张云华1，2，李 珊1，刘冠玉1，陈 骥2，李洪兵2

（1.昆明理工大学机电学院，昆明 650500；2.云南北方驰宏光电有限公司，昆明 650217）

基于显式动力分析理论，对某款红外镜头及其包装件进行跌落仿真分析，提取镜头整体，大、小镜片在每个时刻的最大应力，在MATLAB中生成曲线，得出在初始时刻，大镜片上的应力大于小镜片上的，而在结束阶段，情况相反，从而引发了设计者对镜片安装处镜筒的壁厚设计的思考；以硬质PU泡沫作为此类红外镜头的缓冲包装，在保护产品抵抗冲击方面，采用局部缓冲优于全面缓冲。并将局部缓冲下大、小镜片中心点Z向加速度峰值与裸机的作比较，发现该缓冲方法对峰值的削弱效果非常明显。最后将局部缓冲包装件放入瓦楞纸箱进行跌落试验，且能通过。这种基于仿真的设计方法为红外产品结构设计及缓冲包装方法的选择提供了一种有效的研究手段。

红外镜头；跌落仿真；局部缓冲包装；硬质PU；加速度峰值；冲击

红外镜头等精密光学元器件在使用和运输过程中都有可能发生跌落和碰撞，如果产品结构设计不合理或者包装设计不合理，在跌落冲击下都有可能导致产品的破损，所以红外镜头等精密光学元器件在设计研发过程中需要考虑的是一旦产品跌落后会产生什么样的后果，强度设计要求有没有满足。

若要知道产品跌落后产生的后果，一般都采用传统的跌落试验来获得，例如手机、MP3等一般采用裸机的跌落试验，家用电器如空调、液晶显示器、电视机等一般采用带包装的跌落试验。但跌落试验作用时间极短，跌落姿态不易控制，重复性太差，试验费用很高，测得的物理量有限，不能获得时间和空间上的连续解，不能完整体现跌落过程中的动态响应和变形机理。此类传统的跌落试验只能评判产品能否通过行业规定的标准，但对产品结构设计上的改进、缓冲包装方式的选择作用有限［1－2］。

跌落仿真很好地解决了这些问题，它利用计算机仿真的手段，对产品的跌落过程进行有限元仿真分析，获得工程师们最关注的参数，例如结构的整体应力、变形等［3］。在产品的物理样机和产品包装未制造出来之前，可以通过及时地改进产品或缓冲包装的结构、选择合理的缓冲包装材料等手段来提高产品及其包装件的抗跌落冲击的性能。

本文将有限元仿真分析［4］的手段引入到红外镜头及其缓冲包装件跌落分析上，进而为红外产品的结构设计及缓冲包装方法选择提供了一种有效的研究手段。首先运用ANSYS/LS－DYNA有限元分析软件对某款红外镜头裸机的跌落过程进行分析，来预测红外镜头裸机跌落后的受损情况，然后对两种缓冲包装方法的抗跌落冲击性能进行分析，从而达到优化包装结构的设计方案的目的。

1 显式动力分析理论基础

红外镜头的跌落是镜头在极短的时间内，在剧烈的动态碰撞冲击载荷下发生一系列的复杂的非线性动态响应过程，所以在整个跌落过程中同时存在着几何非线性、材料非线性、和接触非线性。因此对红外镜头的跌落过程进行数值模拟，一般都采用显式积分算法。建立碰撞运动方程，方程表示为［5］：

其中：［M］表示总体质量矩阵；［C］表示总体阻尼矩阵；［K］表示总体刚度矩阵；｛a｝表示加速度向量；｛v｝表示速度向量；｛s｝表示位移向量；｛Fex｝表示包括碰撞力在内的外力向量。其中刚度矩阵［K］是由结构的材料属性和单元的几何性质决定的，质量矩阵［M］是由密度来决定的通过定义材料特性（弹性模量、泊松比和密度）与单元类型得到刚度矩阵和质量矩阵［6］。但在大多数情况下，阻尼机制是不能确切知道的，从而阻尼的形式也是未知的。

在整个时域范围内，可由上述三条积分递推公式求解得到各个离散时间点处的位移、速度和加速度。显式积分算法与其它的计算不同，它不需要进行矩阵分解或者求逆，不需要求解联立的方程组，同时也不存在收敛性的问题，其稳定性准则能自动控制计算步长的大小，保证积分运算的速度，因此通过碰撞运动方程，中心差分法等理论就可以构建红外镜头跌落碰撞的有限元分析的整个算法。

2 红外镜头跌落仿真分析

2.1 有限元模型的建立

建立仿真分析模型是仿真的前提条件。本文在Pro/e建立红外镜头的实体模型，它主要由镜筒，压圈一、压圈二、镜片一（大镜片）和镜片二（小镜片）构成，然后将其保存成后缀为igs的文件，将其导入ANSYS/LS－DYNA中进行网格划分，为了方便处理，所有零件模型均采用solid 164实体单元，四面体网格进行离散。将地面定义为刚性体，生成仿真分析所必需的有限元模型。

图1 红外镜头跌落的有限元模型Fig.1 Finite element drop model of a infrared lens

由于这款红外镜头镜片材料是锗单晶，而锗单晶很脆，容易损坏，因此两片红外镜片是整个红外镜头的关键部件，是主要关注的对象。镜筒、压圈和镜片采用双线性随动硬化材料模型，地面采用刚性体模型来处理。红外镜头各部分材料参数见表1。

表1 红外镜头主要部件材料性能参数Tab.1 Material parameters of com ponent in a in frared lens

2.2 跌落仿真工况

根据企业对产品机械强度试验的要求，跌落高度选择1 000 mm的自由跌落，要求产品带包装跌落后不发生损坏现象。此处的镜头裸机跌落分析的目的是为了预测产品不带包装跌落后的损坏程度，为下面包装材料的选择和包装结构的设计提供参考，若损坏程度很小，或者没有损坏，则在瓦楞纸箱里放一点缓冲介质即可，若损坏程度较大，则需要专用的缓冲衬垫，这就涉及到了缓冲包装材料和缓冲包装方法的选择。

2.3 仿真计算及结果分析

使用LS-DYNA Solver求解器进行计算，计算完成后，通过LS-PREPOST打开计算结果文件d3plot，获得红外镜头在跌落过程中最危险时刻的应力云图，如图2～4所示。在t＝0.000 099 968 s时，镜头整体单元最大应力达到794.285 MPa，发生部位位于镜筒与刚性地面的接触处，且大大超过了硬铝2A12屈服强度380 MPa，发生严重的变形，也超过了它的强度极限500 MPa，镜筒与地面接触处可能首先破裂，此时大镜片上的应力为631.374 MPa，小镜片上的应力是349.027 MPa，都大大超过锗的强度极限100 MPa，说明此时的大、小镜片很有可能已经破损。由于此处的冲击是由刚性地面通过镜筒直接传递给镜片，首先传递到的是大镜片，大镜片的最大应力部位即为碰撞部位，所以此时大镜片上的最大等效应力大于小镜片上的。大镜片上的应力由接触部位镜片的边缘处向内部扩散，离接触部位越远，传递到的应力就越小。此时小镜片的应力是通过镜筒大端的变形传到小端进行挤压产生的，伴随着应力和变形传递衰减的过程，所以在初始时刻，小镜片上的应力与大镜片上的相比偏小。当t＝0.00019998 s时，镜头整体单元最大应力为794.461 MPa，是整个跌落过程中的峰值，发生在小镜片上，此时大镜片上的应力为669.672MPa，限于篇幅，此处不给图示。

图2 T＝0.000 099 968 s时红外镜头应力云图Fig.2 Stress distribution of a infrared lens at0.000 099 968 s

图3 T＝0.000 099 968 s时大镜片应力云图Fig.3 Stress distribution of the large lens at0.000 099 968 s

提取每个时间点镜头整体、大镜片和小镜片的单元最大应力数据，在MATLAB中生成如图5所示曲线，整个跌落过程的应力峰值794.416 MPa发生在小镜片上，但最先可能破损的是大镜片，随着镜筒大端变形和大镜片的局部破损，小镜片安装部位就成了碰撞部位，导致在0.000 2 s～0.000 6 s时刻内小镜片上的应力值高于大镜片上的，随着小镜片的局部破损和镜筒小端的变形，镜筒大端再次成为主要碰撞接触部位，所以在0.000 7 s～0.001 s时刻内大镜片上应力值高于小镜片上的。本文中镜筒大端的镜片安装处壁厚为5 mm，外径为68 mm，其外径与壁厚的比值（以下简称径厚比）为13.6，镜筒小端镜片安装壁厚为9mm，外径为52 mm，其径厚比为5.8，两比值相差比较大，也就是说，大端镜片安装处，壁薄且口径大，小端镜片安装处，壁厚且口径小，所以镜筒大端变形肯定会比镜筒小端的变形大很多。镜筒小端抵抗变形的能力较前者强很多，所以当大端变形达到极限时，小端即小镜片的安装部位又成了碰撞部位，大镜片的变形有起一个缓冲吸能的作用，使得作用在大镜片上的力减少，而小镜片安装部位的镜筒壁较厚，变形比较小，从而抵抗变形的能力相对较强，则应力很大程度地通过镜筒传递给小镜片，因此，在碰撞结束前一段时间内，小镜片上的应力值一直大于大镜片上的。

图4 T＝0.000 099 968 s时小镜片应力云图Fig.4 Stress distribution of the small lens at0.000 099 968 s

图5 红外镜头最大应力－时间曲线Fig.5 Maximum stress-time curve of a infrared lens

3 红外镜头包装件跌落仿真分析

3.1 缓冲包装材料的选择

本文中的缓冲包装材料选择的是低密度硬质聚氨酯泡沫，其密度为1.71×10－10t/mm3，弹性模量为1 000 MPa，材料模型为Low Density Foam。聚氨酯泡沫是一种重要的合成材料，具有多孔性，相对密度小，比强度高；具有很强的弹性，化学稳定性好；具有良好的防水、防震性能，且价格比较低，容易成型。主要用于精密仪器仪表、贵重机械、易损件等的运输包装上，本文中的红外镜头是红外热像仪上的调焦镜头，属于精密光学仪器，市场价可以卖到8 000元左右，也属于贵重机械，所以选择低密度硬质聚氨酯泡沫作为缓冲材料在用途上是合理的。

3.2 缓冲包装材料的应力－应变曲线

本文中使用缓冲包装材料低密度硬质聚氨酯（PU）的应力－应变曲线是通过材料静态压缩试验方法获得的，依据的标准是GB/T 8168－2008（包装用缓冲材料静态压缩试验方法），所用的试验设备是深圳新三思材料检测公司生产的CMT6103万能材料试验机。获得的应力－应变曲线如图7所示。

图6 低密度硬质聚氨酯泡沫应力－应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of rigid polyurethane

3.3 缓冲包装结构设计

本文中主要针对两种不同包装结构进行分析，来研究这两种不同的包装结构对镜头上的镜片，镜头整体所受应力的减弱程度，从而为同类产品包装结构的设计提供依据。本文中涉及到了两种包装结构——整体式和分离式，即包装工程领域提到的全面缓冲和局部缓冲两种方式，如图8所示。

图7 缓冲包装结构Fig.7 Structure of Cushioning packaging

图7（a）中缓冲方式属于全面缓冲方式，该种缓冲方式所用包装材料较局部缓冲来得多，它主要适用于小批量产品的包装，全面缓冲包装法，由于缓冲应力较小、因而可以减少缓冲材料的厚度以及包装材料来提高运输工具的利用率。图7（b）属于局部缓冲包装法，它是根据镜头的特点，利用两块缓冲衬垫对两块镜片安装部位进行局部缓冲，减少了泡沫材料，降低了成本，且采用这种局部缓冲包装法，有利于产品的安放与固定。

3.4 仿真计算、结果分析与试验验证

在仿真计算之前，给定与镜头裸机跌落时相同的工况，计算求解后，提取每个时间点镜头整体、大镜片和小镜片的单元最大应力数据，在MATLAB中生成如图8和图9所示曲线。

图8 全面缓冲包装下的红外镜头最大应力－时间曲线Fig.8 Maximum stress-time curve of a infrared lens in comprehensive cushion packaging

图9 局部缓冲包装下的红外镜头最大应力－时间曲线Fig.9 Maximum stress-time curve of a infrared lens in Partial Cushion Packaging

图10 全面缓冲下跌落仿真与试验结果比较Fig.10 CoMParison between simulation results and experiment ones in comprehensive cushion packaging

图8显示了全面缓冲包装方式下，跌落过程中大镜片在各个时刻的最大应力始终低于80 MPa，小于锗的屈服极限90 MPa和强度极限100 MPa，所以大镜片应该是安全的。而小镜片在整个跌落过程中出现了一个危险时刻，在0.001 7 s的时侯出现了136.462 MPa的最大应力，如图10（a）所示，产生部位在小镜片与镜筒底部接触处，很可能会引起小镜片的破坏。为了验证仿真结果是否正确，按照企业的试验标准和检验试验规范，在HW－DT－315型跌落试验机进行跌落试验，将全面缓冲镜头包装件，提到规定的高度突然释放，使其落入冲击板，形成冲击载荷。试验结束后，取出镜头，发现镜筒，压圈和大镜片完好无损，而小镜片出现了崩边的现象，如图10（b）所示，仿真分析的结果与试验结果吻合良好。

产生这种现象的原因是因为缓冲包装弹性比较好，撞击地面后反弹，由于惯性的存在，镜头继续往下运动，而所选的这款低密度硬质聚氨酯泡沫，相对于其他泡沫而言比较硬，变形相对比较小，相当于又发生了一次镜头与硬质泡沫的碰撞，冲击就直接作用于小镜片的安装部位。如上文所说，镜筒小端壁比大端的厚，且直径较小，抵抗变形的能力强，小端处的缓冲泡沫厚度大于大端的缓冲泡沫后，相当于一个硬且厚物体，碰撞在一个较之更硬的物体上，更硬的物体里面紧贴着一个极易破损的物体，所以通过一次碰撞冲击，很有可能导致里面的小镜片被震碎。图9显示的局部缓冲方式下跌落过程中大、小镜片在各个时刻的最大应力始终低于80 MPa，小于锗的屈服应力90MPa和强度极限100 MPa，所以大、小镜片应该是安全的，对于此类特征的红外镜头，如果选择硬质泡沫来作为缓冲，采用这种局部缓冲方式抗冲击的性能强于全面缓冲缓冲的抗冲击性能。图5、图8和图9都体现了一个共同的特点，在碰撞的初始时刻，大镜片上的最大应力大于小镜片上的，而在碰撞结束阶段，大镜片最大应力均小于大镜片上最大应力，原因与上文对裸机分析的原因类似。限于篇幅，不再赘述。

4 局部缓冲包装件与镜头裸机跌落加速度响应值对比分析

一些文献中提到，导致产品破损还有一个重要的因素即产品的极限加速度［7］。由上文分析可知通过局部缓冲的方式使得小镜片上最大应力从原来的794.461 MPa降为68.565 2 MPa，大镜片上的最大应力由原来的669.672 MPa降为72.532 MPa，几乎都降为原来的十分之一，对最大应力减弱效果非常明显。在加速度值方面如图11和图12所示，曲线A、曲线B分别为大镜片中心节点19 077和小镜片中心节点10 688的加速度响应，与镜头裸机跌落的相比，大镜片中心节点的加速度峰值降为原来的十分之一，小镜片上的降为原来的五分之一，所以对加速度峰值的减弱效果也非常明显。最后将这种局部缓冲的红外镜头包装件，进行跌落试验，结果显示产品完好无损，顺利通过了样机跌落试验。

图11 裸机跌落时，大、小镜片中心点Z向加速度响应Fig.11 Z acceleration response of the lager and small lens’center node when the Baremachine drops

图12 局部缓冲包装件跌落时，大、小镜片中心点Z向加速度响应Fig.12 Z acceleration response of the lager and small lens’center node when the Partial Cushion Packaging drops

5 结 论

本文利用ANSYS/LS－DYNA建立了某款红外镜头及整体式和分离式两种缓冲包装的有限元模型，然后进行跌落仿真分析，得到以下几点结论：

（1）碰撞的初始阶段，大镜片上的最大应力大于小镜片上，碰撞的后阶段，小镜片上最大应力大于大镜片上，由此引发了设计人员对镜片安装处的镜筒壁厚取值的思考。

（2）对两种缓冲包装方式——全面缓冲和局部缓冲进行了对比分析，并对这两种缓冲包装件进行跌落试验验证，发现仿真结果与实验结果吻合良好，得出对于此款红外镜头而言，在选择低密度硬质聚氨酯泡沫作为缓冲材料的情况下，在保护镜头抵抗冲击方面，局部缓冲方式优于全面缓冲方式，为同类产品缓冲包装方法的选择提供了参考。同时物理样机跌落试验验证了仿真设计方案及方法的可行性和正确性。

（3）对产品裸机和局部缓冲方式下的大、小镜片中心点Z向加速度响应峰值进行了对比分析，发现此种缓冲包装方法对加速度峰值减弱效果也很明显。将这种仿真方法引入产品设计中，可以让设计者在初期就可以预测产品的设计缺陷，从而加以改进，这样不仅可以保证产品设计的质量，同时大大缩短了产品的研发周期，减少了试验费用［8－9］，提高了产品的市场竞争力。

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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

国家科技部重点新产品资助项目（2012GRF30008）；云南省科技创新强省计划项目（2010AD003）

2013－08－26 修改稿收到日期：2013－12－04

张云华男，硕士生，1987年9月生

李珊女，副教授，硕士生导师，1965年生