智能物流环境监测仪包装设计及跌落仿真

李燕华，郑永发，黎珍，王领，孙百会

（1.空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519000；2.广东省制冷设备节能环保技术企业重点实验室，珠海 519000）

引言

产品从出货到消费者手中，需要经历运输、中转、装卸、仓储等环节，其中可能遭遇振动、冲击、跌落等危害继而造成损坏[1]。定量了解产品实际物流环境是制定合理测试标准和设计恰当包装的关键。为此，众多研究者[2-10]利用物流环境监测设备对不同运输方式和不同货物的物流运输环境进行大量测试和研究，识别、再现了货物状态、破坏机制，典型的元数据也归纳到了相关标准中。

基于MEMS传感器和物联网等技术，对MEMS三轴加速度传感器、温湿度传感器与中央处理器、定位、4G数据发送/接收模块、存储模块和电池等进行系统集成，开发了一款高性能、低成本的智能物流环境监测设备，能够实现在线监测、跟踪、记录货物物流运输全流程中遭遇的振动、冲击、跌落、温湿度等危害环境数据的功能。智能物流环境监测仪是高精密仪器产品，运输到消费者手中时，自身包装的保护性也是开发智能监测仪的重要一环。

本文针对某型智能物流环境监测仪设计一款包装，并利用有限元软件对其进行跌落仿真分析，以检验所设计缓冲包装结构对物流环境监测仪的保护作用。

1 缓冲包装结构设计

智能物流环境监测仪的外观结构为规整的矩形结构，根据公司缓冲材料设计要求，智能物流环境检测仪的缓冲包装材料采用两个厚度为5 mm的EPE材料，包裹在智能监测仪的两端，如图1所示。为确保产品的保护效果及包装外观的美观性，产品外壳包装采用单瓦楞E坑简箱。

图1 智能监测仪包装图

2 有限元模型建立

2.1 模型简化

智能物流环境监测仪主要包括前壳、后壳、隔板、PCB板和电池等部件。包装材料有EPE垫片及瓦楞纸箱。EPE缓冲材料可以很好的缓解外力对产品的冲击[11]。为了平衡仿真精度和求解速度，将智能物流环境监测仪模型上的对仿真结果影响不大的不重要特征简化或省去，简化后的智能监测仪爆炸图如图2所示。

图2 智能物流环境监测仪简化图

2.2 网格划分及单元类型赋予

智能物流环境监测仪的前壳、后壳、PCB板、隔板、瓦楞纸箱等零件都属于薄壳类零件，对其进行中面抽取处理，并划分2D网格，可以降低网格划分难度并提升分析速度[12]。对于类似EPE垫片、电池等规则零件可以直接采用六面体网格。

单元属性会影响到仿真计算速度和结果精度。实体单元采用Belytschko-Tsay算法，其计算速度较快。壳体单元采用全积分函数算法，可以很好的预防沙漏和解决单元翘曲问题，其积分点个数取3，并且根据零件真实厚度赋予单元厚度[13,14]。

2.3 材料模型

智能物流环境监测仪产品及包装主要用料有PCABS、PC、ABS，缓冲材料有EPE和瓦楞纸板。电池结构较为复杂，但考虑到在产品跌落冲击中一般不发生破坏，仿真中将其等效为一个实体结构，材料用ABS材料属性代替，通过调整材料密度保证电池整体重量不变。具体材料属性见表1。

表1 智能物流环境监测仪关键部件材料参数

2.4 接触设置

在整个跌落仿真过程中智能物流环境监测仪的接触主要包括纸箱与缓冲材料、缓冲材料与智能物流环境监测仪外壳、智能物流环境监测仪各零部件之间的接触。在智能物流环境监测仪的螺钉位置上增加螺栓约束代替螺钉约束，电池与后壳的胶粘约束用TIDE_NODES_TO_SURFACE接触类型来代替。其余接触关系采用自动单面接触[15]。

2.5 跌落参数

在跌落过程中默认物品为自由跌落，根据当地重力加速度9.8 mm/s2，以及智能物流环境监测仪的试验标准中的跌落高度1.2 m。由自由落体的计算公式：

计算出智能物流环境监测仪触地时的瞬时速度为4.85 m/s。跌落仿真主要查看物品触地时和触地后的动力学变化情况，在智能监测仪触地前这一大段时间的仿真不是主要观察对象，所以将智能物流环境监测仪的离地高度设置为1 mm，给智能物流环境监测仪施加一个4.85 m/s初速度，可以大大缩短计算时间。在离智能物流环境监测仪最低点下方1 mm处添加一个刚性墙来模拟代替地面，如图3所示。

图3 跌落设置

2.6 输出参数定义

在跌落仿真历程中，最主要分析的时间段是产品外包装触地、变形、回弹这一段时间内的各项数据。如何设置求解时间、输出步数将会影响到求解速度和求解结果的查看。本次仿真将仿真时间设置为0.05 s，输出步数为100步。

3 结果分析

3.1 能量分析

智能物流环境监测仪在不同状态下跌落，过程中的能量转换曲线如图4所示。

从图4可以看出智能监测仪在不同状态下跌落的过程中智能物流环境监测仪的动能与内能之间的转化过程，在整个过程中符合能量守恒定律。由于跌落姿态的不同可以看出智能物流环境监测仪缓冲材料EPE垫片的吸能效果有所差异。面跌落过程中在0.004 s左右压缩变形量达到最大，系统动能降到最小转换为内能。在0.004 s到0.005 s期间，缓冲材料恢复形变，内能释放重新转换为动能。而棱跌落和脚跌落由于跌落姿态更加恶劣，会对缓冲包装材料造成一定的损伤，所有棱跌落和脚跌落的最大变形量点来的更晚，并且由于对缓冲材料造成一定的损伤，所以缓冲材料无法完全恢复形变，最终的动能略低于面跌落的最后动能。

图4 跌落能量转换曲线

3.2 应力分析

3.2.1 面跌落

根据图4可知，当动能降到最低时，内能达到最大值，整体压压缩变形最大，面跌落此时缓冲材料及智能监测仪主要零部件的应力如图5所示。

从图5可以看出在面跌落过程中瓦楞纸箱的最大应力出现在瓦楞纸箱底部为1.36 MPa，大于瓦楞纸箱的屈服极限1.05 MPa。下缓冲垫片EPE两长棱的内角应力较大，最大应力点为2.234 MPa。智能物流环境检测仪的主要受力点在底面内侧的两条限位筋条上，最大应力为17.43 MPa远小于PC/ABS的极限应力75 MPa。所以在面跌落过程中改缓冲材料可以很好的吸收能量，保护智能物流环境监测仪不受损坏。

图5 面跌落应力云图

3.2.2 棱跌落

选取底面的短棱做跌落棱，使智能物流环境监测仪的中心穿过此棱且垂直于底面，智能物流环境监测仪及其缓冲包装材料的应力云图如图6所示。

从图6可以看出在棱跌落过程中纸箱主要是跌落棱受力，最大应力点在跌落棱的两侧达到4.933 MPa，超过了瓦楞纸箱的屈服强度1.05 MPa。下缓冲垫片主要跌落棱受力压缩变形严重，跌落棱内侧部分单元失效，最大应力达3 MPa。智能物流环境监测仪在棱跌落过程中只要是螺钉空位处受力严重，最大应力达到17.31 MPa，但是远小于PC/ABS的极限应力75 MPa，也远小于螺钉的剪切应力。所以在棱跌落过程中虽然对外包装箱和下缓冲材料EPE造成一定的损坏，但是吸收了大部分能量，可以保护监测仪在棱跌落过程中不受损坏。

图6 棱跌落应力云图

3.2.3 角跌落

以底面的任意一个角做角跌落，使智能物流环境监测仪的重心穿过选取的角，且垂直于底面。智能物流环境监测仪及其包装的应力云图如图7所示。

从图7可以看出，在角跌落过程中纸箱主要受力位置在跌落角及角上的三条棱处，最大应力点在角上，为5.816 MPa超过了瓦楞纸箱的屈服强度。下缓冲垫片EPE主要受力点也是在跌落角及角上的三条棱上，最大应力点在跌落角上为3.011 MPa，跌落角及角上的三条棱部分单元失效。智能检测仪在角跌落过程中主要受力点在螺钉孔位处，最大应力点为26.97 MPa，小于PC/ABS的极限应力75 MPa。所有在角跌落过程中智能物流环境监测仪的瓦楞纸箱和下缓冲垫片会受到一定成都的变形损坏，但是可以很好的保护智能物流环境监测仪在角跌落过程中不受损坏。

图7 角跌落应力云图

3.3 跌落试验

智能物流环境监测仪按照试验标准做一角三棱六面跌落，跌落高度为1.2 m，试验结果如图8所示。

从图8可以看出仅是瓦楞纸箱的跌落角和跌落棱有一定的褶皱损伤，缓冲垫片EPE的棱角处有一点凹痕，智能物流环境监测仪没有受到损伤。

图8 智能物流环境监测仪跌落试验

4 结论

以某智能物流环境监测仪为研究对象，设计了以EPE和瓦楞纸箱为主要材料的缓冲包装，并对其进行了跌落仿真分析和试验验证。从仿真和试验结果对比可以看出仿真结果可信度较高。仿真结果表明，尽管瓦楞纸箱和缓冲垫片虽有一定区域超过其屈服极限，但是在跌落过程中很好的吸收了能量，保证智能监测仪在运输存储过程中的可靠性。因此，在为产品设计包装结构时，可以先利用有限元分析验证，保证所包装设计的可靠性，同时降低反复整改成本，缩短开发周期。