基于ANSYS Workbench对玻璃杯包装的跌落分析

■ 文/天津科技大学　付秋莹

玻璃的制造与使用已经有超过五千年的历史，作为世界上最大的玻璃产品生产国与贸易国，为具有较大脆性的玻璃产品进行合理的包装设计，可大大减少产品在物流运输途中因冲击碰撞而发生的损坏，从而避免玻璃产品失去其使用价值。玻璃产品被公认是世界上在安全的包装材料之一，日用玻璃产品中，日用及家用各类玻璃器皿等产量占玻璃产品总产量的20%[1]，作为日常盛装液体的玻璃水杯，而其损坏很大程度是由于跌落碰撞造成的，通过分析其跌落冲击过程，了解冲击时物体的结构变形与应力变化。跌落碰撞发生的时间非常短，远小于0.1s，且跌落的过程复杂，难以控制，传统的试验无法完整的展现跌落碰撞全过程，而计算机模拟仿真的出现很好的解决了这一难题，因此本文通过ANSYS Workbench有限元的方法模拟产品实际运输流通环境下模型的跌落过程，通过运算得到全面而精确的评定。

一、有限元分析概述

（一）有限元分析法

有限元分析法（Finite Element Analysis，FEA）的基本思路是将连续的求解区域离散为一组有限个，且按一定方式相互连接在一起的单元组合体，单元能按不同的联系方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以对复杂的模型进行求解[2]。简单来说就是将一个系统划分为有限个相互关联的节点或单元，对每一部分进行分析并求解，最终得到结果，将复杂问题简单化。

有限元法的基本步骤是对问题分析后进行单元定义与网格划分，输入外部载荷及响应，通过计算最终求解的过程[2]。目前有限元分析法被广泛应用在大型线性方程组的求解、非线性问题的求解、动力问题的计算等领域，本文运用的是ANSYS Workbench软件，并在Explicit Dynamics模块下进行玻璃杯的跌落仿真与分析。

（二） ANSYS Workbench软件介绍

作为一个大型的计算机辅助分析软件(Computer Aided Engineering，CAE)，随着计算机技术和有限元理论的发展，ANSYS在各个领域得到了广泛的应用，在ANSYS软件的分析能力和各项操作完善和发展的过程中，可以利用它进行工程和结构的安全性能和可靠性能的分析，从仿真中发现影响产品安全的问题所在，对其优化和改进来保证产品和结构的安全性。在包装行业中，通过产品的跌落试验仿真分析和运输包装的随机振动试验仿真分析，来证明包装设计的可行性。例如吸尘器[3]、洗衣机[4]、笔记本电脑[5]等电器的运输包装分析，对易拉罐[6]、啤酒瓶[7]的跌落仿真分析。近年来，ANSYS Workbench凭借其新颖的操作界面和明了的操作思路，深受用户的好评，它兼容了各大有限元分析软件的优势，也使其广泛应用在能源、机械、工程力学、土木工程、电子工程以及航空航天等重要领域。

二、玻璃杯跌落仿真分析

本次实验的玻璃杯跌落仿真分析选用ANSYS Workbench软件中的Explicit Dynamics模块来进行。Explicit Dynamics是Workbench的显示动力学分析模块，它可以充分利用Workbench高效快速的前处理技术，方便地实现与其他模块的数据共享，实现跌落和冲击碰撞等显示动力学问题[8,9]。

（一）几何体模型

运用SolidWorks软件分别建立玻璃杯、上下两个缓冲衬垫以及模拟地面的长方体模型并装配成体，玻璃杯与缓冲衬垫尺寸由实际测得，如图1所示：玻璃杯杯口外直径为90 mm，杯底外尺寸60mm，高度110mm，杯体厚度1.5mm。缓冲衬垫为100mm×100mm×30mm的长方体，上缓冲衬垫中心设有外直径90mm，内直径75mm，深度15mm的环形杯口卡槽，下缓冲衬垫的圆形卡槽直径为65mm，深度10mm。将文件保存为“.x_t”格式并导入ANSYS。

图1　三维几何模型

（二）材料属性

在Engineering Date中添加自定义材料，通过Density和Isotropic Elasticity模块输入三种材料的性能参数，如表1所示，其中模拟地面的材料选用结构钢。

表1　材料参数性能

（三）划分网格

在Model中给各模型添加材料属性。赋予水杯玻璃材料，上下缓冲衬垫赋予EPP材料，地面赋予结构钢材料。然后进行网格划分，ANSYS网格划分工具（Meshing）提供了最常用的网格划分控制和最常用的网格划分操作，它包括单元属性设置区域、智能网格划分控制区域、单元尺寸控制区域、网格划分方法控制区域和细化单元控制区域五个区域组成[8]。划分的网格越小，计算的精确度就越高，大量的细化单元同时计算会延长结果的运算时间，因此要合理恰当的进行网格的划分。相关度设置为0，相关中心设置为Coarse，生成网格后有节点10228个，单元28715个，网格划分如图2所示。

图2　网格划分

（四）加载条件

在碰撞过程中，地面被视为没有位移变化的刚性体，故在地面上添加固定约束。本次模拟跌落采用杯口朝下的方式，产品与地面垂直碰撞，进行面-面接触，故将地面与缓冲衬垫间的连接方式设置为无摩擦，除地面外的各部分连接方式设置为绑定。

模拟运输包装件在公路或铁路中的跌落试验，产品质量小于10Kg，等效跌落高度为800mm[10]，将产品看做自由落体式跌落，即设置产品和缓冲衬垫的初速度为3.96m/s。设置最大循环速度为10000次，分析时间为0.1s。

（五）结果后处理

对玻璃杯跌落后的等效应力和总变形进行求解。得到玻璃杯的应力云图如图3所示，玻璃杯的最大变形云图如图4所示。

图3　最大变形云图

图4　等效应力云图

三、玻璃杯跌落实验

以玻璃杯及其上下缓冲衬垫为试验材料，跌落高度为0.3m，杯口朝下跌落至混凝土地面，通过传感器获取玻璃杯跌落信息，得到跌落时间与加速度的关系曲线如图5所示。

图5　加速度-时间曲线

通过跌落实验获得的加速度-时间的关系曲线中，粉色、蓝色、绿色分别代表X轴、Y轴和Z轴的加速度。由于产品跌落过程复杂，产品跌落至地面时难以实现理想化的平跌落，因此会在三个方向上都产生加速度。试验中的产品需要经过漫长的包装设计周期，另外，进行破坏性测试时所需样品个数较多，对测试仪器也有较高的要求，会产生较高的研发成本。因此通过试验获得数据进行包装设计具有一定的局限性。

四、结语

利用ANSYS Workbench模拟产品在各种情况下的跌落实验。通过对玻璃杯包装的跌落仿真，得到其跌落仿真的应力云图，在应力云图的指导改进包装结构，得到抗冲击性能更强、缓冲效果更好的包装。在包装的开发设计中，对产品进行三维建模并利用ANSYS Workbench进行模拟仿真，可获取有力数据，避免试验中产品的损伤与破坏，缩短设计周期，降低研发成本。本文提供了一个产品碰撞仿真分析的思路，为易碎品的包装设计提供一个参考，具有一定的实际意义。