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摘要：验证家电产品包装件可靠性的重要试验之一是自由跌落试验，通过对家电包装件的跌落试验CAE模拟仿真，可减少试验样机数量、降低试验成本，同时使瞬间跌落过程中内部部件的应力应变情况更加直观。
关键词：家电；包装；CAE；仿真；自由跌落试验
中图分类号：TB48；TB487 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 07-0024-07
CAE Drop Test Simulation of Household Appliances
ZHAO Xin-wei（China Packaging Research and Test Center， Tianjin 300457， China）
Abstract： One of important reliability test for household appliance packages is free drop test. There are many advantages testing packages by CAE simulation， such as decreasing experimental prototype， and cutting down experimentation cost. Beside them， CAE test can make the free drop process more visible， especially the stress-strain.
Key words： household applications； package； CAE； simulation； free drop test
近年来计算机辅助工程（computer aided engineering，简称CAE）高速发展，与现代社会讲求的高效率、高速度、高精度、低成本、高性能观念保持很高的一致性[1]。目前CAE已广泛应用于航天、航空、汽车、家电、电子产品等领域[2]，尤其是新品推广前不可缺少的验证方式。家电行业知名品牌商都在从技术、营销等各方面提升自身竞争力，与时俱进借助CAE技术，主要解决产品性能质量，进行各种结构的强度、刚度、动力学、结构性能等方面的分析与优化[3]，应用于开发新品、提升产品可靠性。作为保护家电产品、方便其运输的包装，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，提高产品包装质量[4]，在开发新品、优化结构、节省资源等方面也发挥着很大作用，CAE仿真测试重复性好、节省试验与开发成本等优势，应用前景可观。
本文选择某品牌家电产品包装件，通过对该型号产品包装件进行包装优化设计后，使用计算机仿真技术模拟产品包装件跌落工况，对比实验室自由跌落测试结果，验证包装件的可靠性及仿真结果的准确性。
1 家电产品包装件简介
家电包装件一般涉及产品、纸箱、缓冲泡沫等，本文中选择市场货损率比较高的某品牌家电热水器进行包装优化设计与仿真模拟。该型号热水器产品通过上中下三件缓冲泡沫包装，下泡沫底部加瓦楞纸托，外部用双瓦楞纸箱通过打包带捆扎，整体组成热水器包装件。产品原包装市场货损率比較高，实验室测试原包装件发生货损，未通过测试；通过设计优化缓冲包装的结构，并对新结构制作样件在实验室进行测试，对比原包装与改进包装的试验结果，并用CAE对原包装件和改进包装进行计算机仿真模拟，提升包装件的可靠性。同时通过实验室测试和CAE的结果对比，验证CAE分析的准确性。
产品原包装包含瓦楞纸箱、EPS缓冲泡沫、瓦楞纸托、打包带、塑料薄膜袋，包装件信息参考表1。产品的原缓冲泡沫结构如图1所示，改进缓冲泡沫结构如图2所示。
2 家电产品包装件实验室测试与CAE仿真
该型号产品按照其企业标准的自由跌落部分在实验室进行原包装件和改进包装件自由跌落测试，并对原包装件和改进包装件进行CAE仿真模拟，对比实验室测试结果和CAE分析结果，验证仿真结果的准确性。
2.1 原包装件实验室跌落试验
跌落高度：610mm
跌落部位：角跌落
跌落过程：将包装件置于叉架跌落试验机上，升至标准高度，并将包装件倾斜使一角支撑于跌落机叉架上，操作设备使其自由落地，跌落过程如图3所示。
原包装件和改进包装件分别进行角跌落自由跌落试验，在试验后进行检查。
原包装件测试结果图示参考表2，外包装无明显损坏，内包装损伤，底部缓冲泡沫破碎。样机底部有凹痕（表中图上方框标示），其他部件均无破损。
改进包装测试结果参考表3，外包装箱无明显破损，底泡沫有少量裂纹，破损不严重。样机外观完好，无任何破损、变形情况。
2.2 包装件CAE仿真模型建立
本文用Hypermesh和ABAQUS两种软件进行有限元模拟仿真，在Hypermesh中划分网格单元后将模型导入ABAQUS中进行前处理设置，模型调试完成后进行计算及后处理。 2.2.1 网格单元模型
Hypermesh划分网格单元模型如表4所示，产品结构模型计算采用结构有限元软件abaqus，壳单元采用四边形缩积分单元S4R，体单元采用C3D8R等单元类型。
2.2.2 模型参数
模型中各包装材料参数参考表5。
2.2.3 相互作用
导入ABAQUS软件后，模型部件之间相互关系的建立，充分考虑各部件外形尺寸和彼此之间的连接关系、材料非线性因素的影响，在此基础上进行各工况的计算分析。计算模型中，产品不同部件之间螺栓作用利用abaqus软件中的多点约束施加连接，端盖卡扣直接通过接触的方式来约束彼此运动。包装结构之间以及产品与包装结构之间设置接触，其与地面触地关系也采用接触处理。
2.2.4 边界条件
计算模型中，约束地面平动和旋转6个自由度，热水器和包装结构受到重力作用。初始速度按照610mm自由跌落高度计算，落地瞬时速度3.46m/s，跌落部位参考表6分别进行计算。跌落模型如图4所示。
2.3 包装件CAE仿真结果
2.3.1 原包装件自由跌落CAE仿真结果
在角跌落计算工况下，瓦楞纸箱发生塑性变形，最终导致跌落角处部分单元塑性过大。包装缓冲结构中承受产品压力的区域应力比其他部位大，位移却比其他部位小，发生较大塑性变形，并伴有单元超过极限而屈服失效。
跌落角附近产品与EPS接触部位有应力集中分布，但产品桶身外壳及端盖未发生塑性变形，内部保温层无应力分布，但局部有塑性应变发生。内胆与挂板联接部位有应力分布，但内胆无应变发生。
通过对应变应力的分析可以看出，在跌落过程中，包装自身会发生塑性变形和部分区域失效，产品各部件基本都处于弹性变形阶段，局部有塑性应变发生，说明缓冲包装对产品的保护未完全发挥。
2.3.2 改进包装件自由跌落CAE仿真结果
在计算工况下，瓦楞纸箱跌落角部位发生塑性变形。包装缓冲结构中承受产品压力的区域应力比其他部位大，位移却比其他部位小，下泡沫发生较大塑性变形，部分单元超过极限而屈服失效，中上泡沫也有塑性应变发生。
跌落角附近产品与EPS接触部位有应力集中分布，但产品桶身外壳及端盖未发生塑性变形，内部保温层无应力分布，也无塑性应变发生。内胆与掛板联接部位、加热棒附近有应力分布，但均无塑性应变发生。
通过对应变应力的分析可以看出，在跌落过程中，包装自身会发生塑性变形和部分区域失效，产品各部件基本都处于弹性变形阶段，无塑性应变发生，说明缓冲包装基本发挥对产品的保护作用。
2.4 CAE仿真结果与实验室结果对比
CAE模拟原包装件和改进包装件自由跌落的应力应变结果如表7所示。
1）原包装件产品桶身及其他内部部件跌落部位有108Pa应力，同时有不同程度的应变，实验室角跌落测试后底部有凹坑；
2）改进包装件应力值与原包装件相近，产品桶身及其他部位应变为0，实验室测试结果产品表面无异常。
3）实验室测试结果与CAE结果相一致。
3 结束语
本文对家电产品（热水器）原包装件及改进包装件在实验室进行了角部自由跌落测试，并通过有限元分析软件ABAQUS，建立了该型号热水器和包装结构跌落CAE模型，得到包装结构改进前后热水器自由跌落CAE模拟分析计算后产品和包装结构的应力、应变和变形。原包装件实验室测试因底部变形未通过测试，CAE模拟分析结果中也有局部的应变，实际试验与CAE测试结果保持一致。分析产品跌落中出现货损与应变的部位，对缓冲包装进行改进后再次进行实验室测试验证与CAE模拟仿真验证，改进后的缓冲包装件在实验室测试中无货损发生，CAE分析结果也无应变发生。
原包装件在实验室测试和CAE分析中产品有变形发生，其包装结构对产品的保护作用发挥不足，进一步改进包装结构后，产品无塑性应变发生，证明了包装结构良好发挥了对产品的保护作用，同时试验结果与CAE结果的一致性，证明包装件CAE建模中缓冲包装件之间接触方式设置以及相互作用的设置在该模型中是合理的。
参考文献：
[1] 马立俊，况祺，常春伟，夏凌辉. CAE仿真软件的现状及其发展趋势[J].军事交通学院报，第7卷第3期. 2005年.
[2] 于亚婷，杜平安，王振伟. 有限元法的应用现状研究[J].机械设计第22卷第3期.2005年3月.
[3] 李绍炎. CAE在家电产品研究开发中的作用[J].家用电器科技， 2001.
[4] 冯广平，张伟祥，黄龙春. 基于CAE的冰箱产品结构与外包装方案优化[J].包装工程，PACKAGING ENGINEERING Vol.24 No5.2003.
关键词：家电；包装；CAE；仿真；自由跌落试验
中图分类号：TB48；TB487 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 07-0024-07
CAE Drop Test Simulation of Household Appliances
ZHAO Xin-wei（China Packaging Research and Test Center， Tianjin 300457， China）
Abstract： One of important reliability test for household appliance packages is free drop test. There are many advantages testing packages by CAE simulation， such as decreasing experimental prototype， and cutting down experimentation cost. Beside them， CAE test can make the free drop process more visible， especially the stress-strain.
Key words： household applications； package； CAE； simulation； free drop test
近年来计算机辅助工程（computer aided engineering，简称CAE）高速发展，与现代社会讲求的高效率、高速度、高精度、低成本、高性能观念保持很高的一致性[1]。目前CAE已广泛应用于航天、航空、汽车、家电、电子产品等领域[2]，尤其是新品推广前不可缺少的验证方式。家电行业知名品牌商都在从技术、营销等各方面提升自身竞争力，与时俱进借助CAE技术，主要解决产品性能质量，进行各种结构的强度、刚度、动力学、结构性能等方面的分析与优化[3]，应用于开发新品、提升产品可靠性。作为保护家电产品、方便其运输的包装，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，提高产品包装质量[4]，在开发新品、优化结构、节省资源等方面也发挥着很大作用，CAE仿真测试重复性好、节省试验与开发成本等优势，应用前景可观。
本文选择某品牌家电产品包装件，通过对该型号产品包装件进行包装优化设计后，使用计算机仿真技术模拟产品包装件跌落工况，对比实验室自由跌落测试结果，验证包装件的可靠性及仿真结果的准确性。
1 家电产品包装件简介
家电包装件一般涉及产品、纸箱、缓冲泡沫等，本文中选择市场货损率比较高的某品牌家电热水器进行包装优化设计与仿真模拟。该型号热水器产品通过上中下三件缓冲泡沫包装，下泡沫底部加瓦楞纸托，外部用双瓦楞纸箱通过打包带捆扎，整体组成热水器包装件。产品原包装市场货损率比較高，实验室测试原包装件发生货损，未通过测试；通过设计优化缓冲包装的结构，并对新结构制作样件在实验室进行测试，对比原包装与改进包装的试验结果，并用CAE对原包装件和改进包装进行计算机仿真模拟，提升包装件的可靠性。同时通过实验室测试和CAE的结果对比，验证CAE分析的准确性。
产品原包装包含瓦楞纸箱、EPS缓冲泡沫、瓦楞纸托、打包带、塑料薄膜袋，包装件信息参考表1。产品的原缓冲泡沫结构如图1所示，改进缓冲泡沫结构如图2所示。
2 家电产品包装件实验室测试与CAE仿真
该型号产品按照其企业标准的自由跌落部分在实验室进行原包装件和改进包装件自由跌落测试，并对原包装件和改进包装件进行CAE仿真模拟，对比实验室测试结果和CAE分析结果，验证仿真结果的准确性。
2.1 原包装件实验室跌落试验
跌落高度：610mm
跌落部位：角跌落
跌落过程：将包装件置于叉架跌落试验机上，升至标准高度，并将包装件倾斜使一角支撑于跌落机叉架上，操作设备使其自由落地，跌落过程如图3所示。
原包装件和改进包装件分别进行角跌落自由跌落试验，在试验后进行检查。
原包装件测试结果图示参考表2，外包装无明显损坏，内包装损伤，底部缓冲泡沫破碎。样机底部有凹痕（表中图上方框标示），其他部件均无破损。
改进包装测试结果参考表3，外包装箱无明显破损，底泡沫有少量裂纹，破损不严重。样机外观完好，无任何破损、变形情况。
2.2 包装件CAE仿真模型建立
本文用Hypermesh和ABAQUS两种软件进行有限元模拟仿真，在Hypermesh中划分网格单元后将模型导入ABAQUS中进行前处理设置，模型调试完成后进行计算及后处理。 2.2.1 网格单元模型
Hypermesh划分网格单元模型如表4所示，产品结构模型计算采用结构有限元软件abaqus，壳单元采用四边形缩积分单元S4R，体单元采用C3D8R等单元类型。
2.2.2 模型参数
模型中各包装材料参数参考表5。
2.2.3 相互作用
导入ABAQUS软件后，模型部件之间相互关系的建立，充分考虑各部件外形尺寸和彼此之间的连接关系、材料非线性因素的影响，在此基础上进行各工况的计算分析。计算模型中，产品不同部件之间螺栓作用利用abaqus软件中的多点约束施加连接，端盖卡扣直接通过接触的方式来约束彼此运动。包装结构之间以及产品与包装结构之间设置接触，其与地面触地关系也采用接触处理。
2.2.4 边界条件
计算模型中，约束地面平动和旋转6个自由度，热水器和包装结构受到重力作用。初始速度按照610mm自由跌落高度计算，落地瞬时速度3.46m/s，跌落部位参考表6分别进行计算。跌落模型如图4所示。
2.3 包装件CAE仿真结果
2.3.1 原包装件自由跌落CAE仿真结果
在角跌落计算工况下，瓦楞纸箱发生塑性变形，最终导致跌落角处部分单元塑性过大。包装缓冲结构中承受产品压力的区域应力比其他部位大，位移却比其他部位小，发生较大塑性变形，并伴有单元超过极限而屈服失效。
跌落角附近产品与EPS接触部位有应力集中分布，但产品桶身外壳及端盖未发生塑性变形，内部保温层无应力分布，但局部有塑性应变发生。内胆与挂板联接部位有应力分布，但内胆无应变发生。
通过对应变应力的分析可以看出，在跌落过程中，包装自身会发生塑性变形和部分区域失效，产品各部件基本都处于弹性变形阶段，局部有塑性应变发生，说明缓冲包装对产品的保护未完全发挥。
2.3.2 改进包装件自由跌落CAE仿真结果
在计算工况下，瓦楞纸箱跌落角部位发生塑性变形。包装缓冲结构中承受产品压力的区域应力比其他部位大，位移却比其他部位小，下泡沫发生较大塑性变形，部分单元超过极限而屈服失效，中上泡沫也有塑性应变发生。
跌落角附近产品与EPS接触部位有应力集中分布，但产品桶身外壳及端盖未发生塑性变形，内部保温层无应力分布，也无塑性应变发生。内胆与掛板联接部位、加热棒附近有应力分布，但均无塑性应变发生。
通过对应变应力的分析可以看出，在跌落过程中，包装自身会发生塑性变形和部分区域失效，产品各部件基本都处于弹性变形阶段，无塑性应变发生，说明缓冲包装基本发挥对产品的保护作用。
2.4 CAE仿真结果与实验室结果对比
CAE模拟原包装件和改进包装件自由跌落的应力应变结果如表7所示。
1）原包装件产品桶身及其他内部部件跌落部位有108Pa应力，同时有不同程度的应变，实验室角跌落测试后底部有凹坑；
2）改进包装件应力值与原包装件相近，产品桶身及其他部位应变为0，实验室测试结果产品表面无异常。
3）实验室测试结果与CAE结果相一致。
3 结束语
本文对家电产品（热水器）原包装件及改进包装件在实验室进行了角部自由跌落测试，并通过有限元分析软件ABAQUS，建立了该型号热水器和包装结构跌落CAE模型，得到包装结构改进前后热水器自由跌落CAE模拟分析计算后产品和包装结构的应力、应变和变形。原包装件实验室测试因底部变形未通过测试，CAE模拟分析结果中也有局部的应变，实际试验与CAE测试结果保持一致。分析产品跌落中出现货损与应变的部位，对缓冲包装进行改进后再次进行实验室测试验证与CAE模拟仿真验证，改进后的缓冲包装件在实验室测试中无货损发生，CAE分析结果也无应变发生。
原包装件在实验室测试和CAE分析中产品有变形发生，其包装结构对产品的保护作用发挥不足，进一步改进包装结构后，产品无塑性应变发生，证明了包装结构良好发挥了对产品的保护作用，同时试验结果与CAE结果的一致性，证明包装件CAE建模中缓冲包装件之间接触方式设置以及相互作用的设置在该模型中是合理的。
参考文献：
[1] 马立俊，况祺，常春伟，夏凌辉. CAE仿真软件的现状及其发展趋势[J].军事交通学院报，第7卷第3期. 2005年.
[2] 于亚婷，杜平安，王振伟. 有限元法的应用现状研究[J].机械设计第22卷第3期.2005年3月.
[3] 李绍炎. CAE在家电产品研究开发中的作用[J].家用电器科技， 2001.
[4] 冯广平，张伟祥，黄龙春. 基于CAE的冰箱产品结构与外包装方案优化[J].包装工程，PACKAGING ENGINEERING Vol.24 No5.2003.