空气净化器包装跌落易损部件仿真优化设计研究

■ 文/珠海格力电器股份有限公司 张莹

一、研究背景

近年来空气净化器产品销售市场快速发展，使企业开始重视空气净化器板块的产品开发，市场销售的激烈竞争，要求产品务必缩短开发周期、降低开发成本，运输包装设计开发作为产品开发中一个重要的板块，需要在产品开发前端评估好产品模型的结构抗冲击强度，减小或消除产品在运输过程中的破损故障率，使产品完好无损的到客户手中。

目前运输包装行业普遍以设计经验值作为原型包装设计依据，因测试产品的G值需要实际功能样机，且做多组跌落测试，才可得到准确的G值，如在此阶段测得产品脆值再做改善，产品模具改善空间有限，故多以增加缓冲包装厚度或面积来补足产品结构强度不足，即利用缓冲材料的弹性变形降低外部传递到产品的冲击力，导致包装成本过高、包装体积大等，不利于产品成本最优。

在物流过程中，包装产品受到机械冲击、振动载荷作用，因包装不善造成产品破损的现象比较严重，缓冲、防振不够是一个重要原因[1]。目前，对于包装衬垫防冲击设计的研究主要是通过对产品进行跌落试验，测得内装产品在跌落冲击外力作用下的动态力、加速度、位移等[2]，运用试验的方法来检验缓冲效果。这种方法对产品和包装都具有很大的破坏性，并且需要多次重复试验，成本较高[3]；家电行业使用的缓冲包装材料普遍为不可降解的EPS，不论从环保的角度，还是产品整机成本竞争力的角度，不推荐使用过多的包装材料解决整机破损问题，而是在产品模型阶段通过工程经验、力学原理分析、仿真工具预先评估产品结构及原型包装的合理性，并通过仿真工具结合工程设计理论优化改善。

二、研究目的

本文通过以一款全新开发的空气净化器作为研究机型，通过前端的工程经验预审产品结构方案，锁定强度薄弱部件，通过对薄弱部件的仿真分析，验证问题点，并使用Optistruct拓扑优化功能优化产品薄弱件结构强度，使空气净化器在特定包装体积及成本的情况下，通过结构的改进，避免增加包装成本，提高整机的抗跌落冲击能力，保证产品的运输可靠，提高产品的市场销售竞争力。

三、研究过程

（一）空气净化器产品结构组成及装配情况简介

空气净化器产品结构主要由底座总成、风道组件、前后支撑壳、左右支撑壳、过滤网组件、前后进风面板格栅组件组成，具体装配顺序如图1所示。

图1 产品结构概况及装配顺序关系

（二）通过工程样本对标预审确认一级易损件

1.通过工程经验模型预审，从单个部件的强度、各个连接部件的卡扣螺栓强度、相邻部件的间隙三个模块进行产品结构审查，将一级易损件的范围确认为连接产品重心部件的螺钉柱、具有悬臂特征的结构、面板卡扣部件，一级易损件涉及功能体现、销售外观等重要作用，如有异常更改受限制较大，需要精确的参数指导确保一次性更改到位；其他二级薄弱部件，通常不需要通过仿真分析，即可确认改善方案。

通过分析后，将一级易损件定为产品重心电机风叶组件，其结构为采用螺钉连接的方式固定在一其中一侧风道上，螺钉柱在垂直跌落方向上为悬臂结构，具体可见如图2所示。

图2 关键薄弱部件结构示意图

2.各关键部件材料参数分别如表1、表2所示。

表1 关键部件的材料参数

表2 LS-DYNA中涉及使用的材料类型

3.网格划分及关键参数设置

规则模型使用六面体单元，其余用四面体单元，关注部位局部细化，保证厚度方向有2-3层基本网格，尺寸全局为3mm，局部关注部位细化尺寸为1mm，节点数277万，单元数980万，产品部件接触设置中除螺栓螺母用绑定，其余用无摩擦接触，质量缩放DT2MS = -1.2E-7，Ratio = 1.2015E-02, 计算时间0.04s，沙漏控制方面,部分单元使用全积分单元。

包装泡沫在跌落过程中各部分间的实际接触情况，底部泡沫与产品底部平面的接触为光滑去摩擦接触，与包装泡沫曲面的接触为摩擦接触，摩擦因数为0.2。包装泡沫与外箱上、下面的接触为光滑去摩擦接触，与外箱侧面的接触为法向不分离接触。设置全部接触对的接触属性均为非对称接触，接触半径为0.01 m，接触算法为罚函数法，刚度更新均设为每个子步。对地面和产品分别施加远端位

移载荷，约束地面的6 个方向的自由度均为0，产品竖直方向自由度为无约束，其余5个自由度为0[4]。

根据实际跌落情况，在仿真模拟状态下等效为跌落高度10mm，，设置包装件整体的初始速度为4.82m/s，方向为竖直向下，对整体施加标准重力加速度。

（三）整机跌落分析

1.因主要的研究部件为装配电机一侧的风道部件，电机为刚性体在跌落过程中无形变，本文暂不研究装配在电机上的风叶在跌落过程中的运动轨迹及形变情况，故可将电机与风叶等效为刚性质量体；通过对整机模型简化及特征的前处理，并对处理后的模型网格划分具体如图3所示。

图3 整机包装仿真分析模型

2.整机跌落关键风道部件分析结果，跌落后，风道螺钉柱根部及其背部筋条位置的等效应力为60Mpa，风道部件的材料屈服极限为50Mpa，破损现象为变形后的发白或是结构开裂现象，设置塑性应变后，应力云图此处已发生塑性变形，对于已断裂破损位置，应力云图已将此处单元剔除， 故云图内已破损区域体现为单元缺失，具体情况见图4所示。

图4 整机仿真包装跌落关键易损部件应力云图

3.分析结论，从分析的结果可以确认目前的结构方式无法满足测试要求，出现螺钉柱根部断裂的情况，从功能手板样机的初步摸底测试及首样验证的情况，也同步验证了此工况下的螺钉柱根部确实出现了不同程度的开裂破损，具体见如下图5所示。

图5 整机关键易损部实际包装跌落破损位置与仿真结果对比图

从实际测试结果与仿真结果对比分析后，可确认此设计研究方法有效可行，在三维模型阶段即可通过锁定易损部件，最易破损的测试工况，选定工况后，再针对性的做整机的跌落仿真，可有效的缩短仿真分析的周期，从而以最快的速度分析出易损部件的破损工况及条件，并针对出现的问题，在三维产品阶段将产品结构进行全面的改善。

四、关键易损部件改善方案设计

（一）使用Optistruct对易损部件进行初步的拓扑优化，设置目标为柔度最小；约束设置为体积约束上限为0.2，即占比20%；变量设置为单元密度，通过初步的计算后，拓扑优化结构见图6。

图6 易损部件拓扑优化结构

（二）因目前拓扑优化功能还不能分析实际模具生产的可实现性、整机风道结构流体分析等功能，故需要人为的对初步优化的结构进行调整，主要考虑模具生产、结构的稳定性、整机风道流体的影响性三方面因素，还需对电机支架结构进行最后的优化，最终实际改善方案说明及结构局部细节示意见图7。

图7 实际改善方案说明及结构示意图

（三）改善方案跌落仿真效果见图8。

（a）改善方案应力云图

图8 改善方案跌落仿真效果

（四）改善方案总结,因断裂的位置为结构的根部及多处筋条相连接的位置，故在根部增加倒角，将单个筋条加高，以及在多个筋条的连接处在增加45°等腰的三角筋条，通过此改善方案，仿真及实际的跌落测试均未出现问题，证明改善方案确实符合要求。通过此案例，可以说明此模块的跌落仿真模型、参数设置及改善方案可用于后续的包装仿真跌落测试模块基础数据应用。

五、结语及展望

运输包装设计、冲击碰撞测试的研究本身为测试型学科，前期因缺少基础材料参数、仿真综合型人才少，物流的发展缓慢对包装的要求低等因素，使仿真跌落测试在包装设计上的应用程度低，如今随着电商物流爆炸式的提升，给运输包装带来了机遇和挑战，家电产品激烈的竞争市场，整机包装成本的降低有利于开发性价比更高的产品，将目前电商运输包装过量的包装成本，用于提升产品性能、包装材质和方式的体验感等，更能体现产品核心价值，从而增加产品的综合竞争力。