為了節(jié)省EPS泡沫包裝箱設(shè)計(jì)和制造時(shí)間，減少材料浪費(fèi)，以提高使用性能?？梢酝ㄟ^(guò)仿真軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，最后根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)包裝箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。從而得到性價(jià)比最優(yōu)的包裝方案。
在包裝優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有限元分析的對(duì)象主要包括包裝材料、包裝結(jié)構(gòu)以及包裝過(guò)程。分析范圍涵蓋了包裝材料的力學(xué)性能、包裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、以及包裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中、變形等問(wèn)題。通過(guò)有限元分析，我們可以全面了解包裝在各種情況下的受力狀態(tài)，從而找到優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。
EPS泡沫塑料具有密度小、吸收沖擊載荷性好、隔熱性優(yōu)良、隔音效果好、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于有機(jī)蔬菜、時(shí)令水果、海鮮等農(nóng)產(chǎn)品的運(yùn)輸。
目前包裝箱抗壓性能測(cè)試，一般采用物理測(cè)試，缺陷是成本高、結(jié)果隨機(jī)性大、測(cè)試收集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等。生產(chǎn)EPS泡沫包裝箱前需要首先制作模具，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)EPS泡沫箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析，能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，節(jié)省大量人力物力。
包裝的結(jié)構(gòu)和造型對(duì)于其承載能力和美觀度至關(guān)重要。有限元分析可以幫助我們?cè)u(píng)估不同結(jié)構(gòu)和造型的包裝在受力情況下的性能表現(xiàn)。通過(guò)模擬分析，我們可以找到最佳的包裝結(jié)構(gòu)和造型，提高包裝的承載能力和穩(wěn)定性。
泡沫包裝箱在運(yùn)輸過(guò)程中一般采用堆碼的形式進(jìn)行擺放。泡沫包裝箱變形過(guò)大，會(huì)對(duì)內(nèi)部運(yùn)輸物品造成擠壓，包裝破損還會(huì)降低其防潮、保溫等效果，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，因此包裝箱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其抗壓性能。
對(duì)包裝箱及緩沖材料抗壓性能的研究，一般先對(duì)材料進(jìn)行物理測(cè)試得出相關(guān)參數(shù)，如彈性模量、泊松比及應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)等，然后使用有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。本案例選取市面上銷量較高的 3 種郵政 4號(hào)泡沫箱為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探究結(jié)構(gòu)對(duì)其應(yīng)力分布及使用性能的影響。
建立泡沫包裝箱模型
使用 UG 建立樣品三維模型，
1 號(hào)樣品規(guī)格外尺寸為 340 mmx220mmx180 mm,內(nèi)尺寸為 300 mmx180 mmx140 mm;
2號(hào)樣品規(guī)格外尺寸為 345 mmx225 mmx180 mm內(nèi)尺寸為 305 mmx185 mmx140 mm;
3 號(hào)樣品規(guī)格外尺寸為 340 mmx220 mmx186 mm，內(nèi)尺寸為 304mmx184 mmx154 mm
根據(jù)以上尺寸參數(shù)在 UG 中建立各樣品的原始三維模型，為使分析結(jié)果更接近于真實(shí)情況，對(duì)外表各邊進(jìn)行倒圓角操作，圓角半徑為 5 mm。1 號(hào)2 號(hào)和 3 號(hào)樣品的最終三維模型見(jiàn)圖 1。
1、材料屬性定義
將UG中導(dǎo)出保存的模型文件,導(dǎo)人 Abaqus 中分別定義材料的密度、彈性模量、泊松比以及塑性階段應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。以文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，EPS對(duì)于其彈性階段，彈性模量為 1.52MPa，泊松比為 0.3，密度為 11.18 kg/m3
2、接觸方式定義
實(shí)際上，泡沫包裝箱在物流運(yùn)輸?shù)仁褂眠^(guò)程中，一般使用膠帶等將箱體與箱蓋固定，可視為接觸面之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以可以綁定約束，用于將模型中的2個(gè)區(qū)域( 面或節(jié)點(diǎn)區(qū)域 ) 綁定在一起，使箱體和箱蓋之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
3、邊界條件及加載
對(duì)箱體和箱蓋的切割邊施加對(duì)稱載荷，箱體底邊施加三自由度固定約束，箱蓋上表面施加 p=1.6kPa 的壓強(qiáng)。按照箱蓋表面施加 100 N 壓力計(jì)算 。
4、網(wǎng)格劃分
對(duì) 3 種樣品模型分別進(jìn)行如上所述的參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作。為使分析結(jié)果更加精確，設(shè)置網(wǎng)格種子單元大小為 5 mm。設(shè)置網(wǎng)格單元類型為一階四面體 C3D4 單元，確認(rèn)對(duì)箱蓋和箱體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
5、計(jì)算與分析
提交分析作業(yè)計(jì)算后，進(jìn)入分析結(jié)果，選擇顯示 Mises 應(yīng)力的云紋圖，3 種樣品模型的應(yīng)力云圖見(jiàn)下圖。
1 號(hào)樣品的應(yīng)力云圖中最大應(yīng)力為 44.9 kPa位于箱體與箱蓋接觸部分。
2 號(hào)樣品相對(duì)于 1 號(hào)樣品，箱體進(jìn)行了減量化設(shè)計(jì)，其最大應(yīng)力為 45.9 kPa仍位于箱體與箱蓋接觸部位，同時(shí)箱蓋中心區(qū)域應(yīng)力增大，但沒(méi)有超過(guò)彈性極限，箱體應(yīng)力較小且相對(duì)于 1 號(hào)樣品模型變化不大。
在 3 號(hào)樣品箱蓋下表面設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋，箱蓋結(jié)構(gòu)與前 2 種樣品不同，如圖 3c 所示，最大應(yīng)力為 47.0 kPa，可看出箱蓋中心區(qū)域應(yīng)力明顯減小，但由于箱蓋設(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致其箱體與箱蓋接觸部位最大應(yīng)力區(qū)域較大
6、優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)分析結(jié)果可得出泡沫箱主要變形部位為箱蓋中心區(qū)域，應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)橄潴w與箱蓋接觸部分，箱體所受應(yīng)力與應(yīng)變較小。
通過(guò)如上仿真分析，設(shè)計(jì)一種泡沫包裝箱模型，厚度為 20mm，以箱蓋內(nèi)部物理中心為原點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)徑為 60 mm，外徑為 100 mm，高度為 100 mm 的圓環(huán)。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以有效解決箱蓋中央部分所受過(guò)大應(yīng)力問(wèn)題，同時(shí)沿箱蓋對(duì)角線增加一個(gè)“X”型加強(qiáng)筋，寬度為 20 mm，高度為 10 mm。箱體設(shè)計(jì)與2 號(hào)樣品相同，采用減量化設(shè)計(jì)，凹槽長(zhǎng) 100 mm，寬 50 mm，高 10 mm，見(jiàn)圖 4。
相對(duì)于 3 種樣品，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的泡沫箱的箱蓋應(yīng)力分布更加分散，最大應(yīng)力減小為 43.4 kPa。箱蓋與箱體接觸區(qū)域應(yīng)力減小，凹槽設(shè)計(jì)方便搬運(yùn)同時(shí)減少了材料使用量。根據(jù)前文方法，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的泡沫包裝箱模型進(jìn)行有限元分析，其應(yīng)力云圖見(jiàn)下圖
3 種樣品包裝箱受壓時(shí)，最大應(yīng)力位于箱蓋與箱體接觸部位，箱蓋中心區(qū)域變形最大，箱體減量化設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變影響較小。對(duì)泡沫包裝箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其應(yīng)力分布更加合理，改善其使用性能。在前期設(shè)計(jì)中對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行有限元分析并進(jìn)行性優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了模具的投入風(fēng)險(xiǎn)，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可信度，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
