基于ANSYS Workbench的水杯包装有限元分析及优化设计

ＳＨＡＮＧＨＡｌ　ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ　包装技术⑨　基于ＡＮＳＹＳ　ｅｎｃｈ的水杯包装　有限元分析及优化设计　■史／天津科披人学包　Ｌｊ印刷－Ｅ　学院　陆景风　摘要：应ｆ｝ＪＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件的分忻功能对水杯包装进行跌落仿真分析。似没水杯按照一定九勺卡』ｊ　始条件自｝｝｛跌落，通过计算机模拟它与地面的接触碰撞，从碰捕后水杯的变形和Ｊ、　力分布　中町以舌…　水杯的变形卡¨最火应力。将水杯的外孔径和高度波为输入参数，顾’　、最大变形币¨最大应力设为输…参　数，对水杯进行参数优化设汁，然后对优化后的参数再次进行仿真分析。结果表ｕＪｊ，最大心　变小，从　而　叫优化设计的合理性。　关键词：水杯；跌落仿真：ＡＮＳＹＳ　ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ；优化设计　我国是世界Ｉ　最　的日川陶瓷　难得到令面而粘确的评定　０。　贸　，也是最大的口用陶瓷生　许　互白山的单元或者点，对每个点或　多发达同家＿１】，传统的产－口】跌落冲击　单７亡进行物理模型分析，产生若卜　法柬求祥，得到最终的结果。对于　国。陶瓷制品的脆　较大，在运输过　试验已经逐渐…汁算机模拟仿真来完　个办私　组，然后再川１线性代数的办　程巾极易受到冲击卜ｊ碰撞而发生损　成　。跌落仿　的出现很好的解决　坏，从而失去其使ｊ“的价值　。　，　此｛ｊ）＝ｌ　宄其物流运输过　中的包装防护　一这一问题。　、不同数学模型和物理模型的问题，　有限元法的基本步骤足先对问题进　行单元定义以及　格的划分，然后　技术　有晕要价值。水杯是我们日常　川米｛｛｛ｌ装液体的容器，跌落碰撞是水　有限元分析概述　输入外部裁荷以及响应，最后　‘算　杯损坏的最大因素，分析物品的跌｛．毒＝　冲。　过程，了解跌落冲击时物体的结　（一）有限元分析法简介　随着现代汁算机技术的不断迅　求解的过程。　有限元分析法主要　用于大型　　构和应力变化，能够指导对物体跌落　速发　，逐步兴起了　个新技术即　线性方程组的求觯，线性问题的　ｔｅ　求解，以及动力问题的计　算等重要　易损部分采取保护措施，增大物体的　有限元分析法，英文全称是Ｆｉｎｉｅｒｎｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，简称为ＦＥＡ。有　领域。¨前己开发应月］的有很多软　抗冲　性能，减小其跌落损伤的概　Ｅｌ较好的通用＿仃限元软什有　率　。跌落试验分析参数可由试验测　限元分析法的　本理论是用较为简　件，其　Ｉｌ　但碰撞时间　，过程复杂，不易　单的　题米代替比较复杂的　题来　ＡＮｓＹＳ，用于通用结构的分析，控制，不能完整的展现跌落碰撞全过　进行求解。其实就是把一个系统或　还有ＡＢＡＱＵＳ，主要用于非线性问　，程，　此对于跌落碰捕中受力变形很　者物体划分成若干个相互关联或相　题的分析。下面主要介绍ＡＮＳＹＳ　作者简介：陆景风，女．　窭戳亳州１人．硕上研究，｛　．ｉ　蜚研究方向为运输也装　』包装结构设ｉｌ　ｃ　５ＨＡＮＧＨＡＩ　ＰＡＣＫ　ＡＧＩＮＧ　⑨包装技术　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ分析软件，而本文也主要　Ｗｏｔ－ｋｂｅｎｃｈ的显乐动力学分析　模拟地面的一个长，Ｊ‘体，如　【　可　。杯子尺、　由实　测　，外　怂ＪｆｊＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件进行跌　模块ｌ！ＪｊＥｘｐｌｉｃｉｔ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ，ｔ婪基Ｊ　仿真的分析。　Ａｕｔｏｄｎ）靓品的拉格朗Ｈ算ｆ部分，　为６２　ｍｍ，高度为ｌ４ｌ　ｎｌｎｌ，杯体＿ｌｌＪ！＝　１Ｔｉｍ。　ｊＨ：ｔ　算软　发设定为２　（二）ＡＮＳＹＳ　ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件　是ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　面＿卜新的显；件，ＩＪＪ‘充分利川ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ快速高效　（二）设置材料属性　介绍　的前处　技术，能鬯办便地实现与其　在Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄａｔｅ【…　ｌ定辽¨　Ｃ　Ａ　Ｅ　ｆ　Ｃ　Ｏ　ｍ　Ｐ　ｕ　ｔ　ｅ　ｒ　Ａ　ｉ　ｄ　ｅ　ｄ　他模块数　共享，　现如电子产品跌　料，使用密度（Ｄｅｎｓｉｔｙ）和弹　￣仪ｑ－　ｉ　ｉ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）技术，　计算机辅助工　技术，坝　名思义就是利用计算机　技术进仃ｊ二　干【１结构的安全性能和　ｕｒ稚性能的分析以及对优化设计的　汁算等，以及埘　些问题进行仿真　卡５ｌ拟分析，发现　些影响产品安全　仃　的问题，进一步进行优化和改　进，来保　产品和结构的安全性。　ＣＡＥ技小＝麻川的‘个新的方向就是　近　年来　川任包装行业上，对产　的运输包　进行的优化分析和随　机振动试验仿真分析，例如洗衣　机、微波炉，电视等家用电器的运　输也装分析，埘汽牟暖风机的运输　乜　设汁进　的仿真分析，证明包　计的叮仃性。　ＡＮＳＹＳ仃限几分析软件系列是　ＣＡＥ披术【ｆ１的＿手流分析软件之　，　ｆ，Ｔ以称的ｆ　是当今科学和技术的完　爻结合，足现代Ｊ，＇，：品研发小可或缺　的技术丛础，它所涵盖的理论知识　ｌ卜　Ｊ　，Ｊ、　用客户群遍布在全　球　近　，ＡＮ　ＳＹＳ公司新开发　的　成软件、　台ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　软什，拥仃新颖的操作界面和方便　的操作思路，兼容了其他各大有限　己分　软件的荇种优势，一卣深受　Ｊｌ　Ｊ，、’的好　，成为全球ＣＡＥ分析　界的独一厄　的领导者。ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ应用住土木工程、能源、　学、机械、电子ｒ：程以及航　帆久等　个领域。　二、某陶瓷水杯跌落仿真分析　落、舟速冲击碰撞等　示动力学分析　（１ｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ）这　个馍块输入　问题。　此，我们选用Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软　三种材料的参数，地　Ｊ１川　／２　Ｍ　求儆　件工具箱【｝１￣ｑＥｘｐｌｉｃｉｔ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ模块　拟，三种材料性能参数　ｌ所爪。　来进　跌　碰撞分忻。　（三）网格划分　（一）建立三维模型　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ具有　人的　格划分　选取某陶瓷水杯作为研宄对　功能，可控制网格的人小干¨形状　象，建　ＪＬｆＩｊＪ　，　中儿何模犁　进入Ｍｏｄｅｌ后，先赋　水怀陶瓷¨　包括陶瓷水怀、［　卜　个衬垫以及　料，上下两个衬垫赋　ＥＰＳ利利，地　表１材料性能参数　陶瓷　２３００　２．２０５９×ｌ０　ＥＰＳ　２３　８Ｘ１０　刚性墙　４１６７　２Ｘ１０“　图１三维几何模型　图２网格划分　Ｂ：置５Ｉ蓓＿分析　Ｔｏｔａｌ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉ０ｎ　－Ｉ　ｖｐｅ：ＴｏｔａＩ　Ｄｅｆ０ｒｍａｔｉｏ　Ｕｎｉｔ：ｎｌ　Ｔｉｍｅ：２．０００３ｅ一００４　２０１６／５［２１　１８：２０　一　：　№ｘ　｝　ｊ０。．０。０００４０。０。６５０１２４０８９　７５４５　．３４３０．０００１７１５８　…．．图３最大变形云图　ＳＨＡＮＧＨＡｌ　ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ　包装技术⑨　面赋＿，，刚性墙材料，然后进　划分，网格划分的越小计算的梢确　度越高，但会人人延长汁算时问，　计算时问取决于模　・ｆ一最小吖Ｌ死的　尺寸，因此要控制好甲　元的划分。　相关度没置为０，卡¨关中心　置　Ｃｏａｒｓｅ，生成２８０６个”０一Ｊ，Ｊ，，７３７６个单　元，　恪划分如图２ｔｉｌｌ示。　（四）加载条件　往碰撞中地而说为川性体，　发牛何移变化，添７Ｊ　Ｉｌ固定约束。　典　冲　速度的等效跌落　范同为１００—１２００　１１１１１１　，考虑陶瓷ｎ勺　实际易碎特点，选择跌落高度为７６　ｃｍ（从杯ｊ　最低点计），本义考虑水　杯包装与地面垂　碰撞，将Ｊ　：　行　做自由落体跌落，即设置产　ｌ　平Ｉ】付　垫的初速度为３．８６　ｍ／ｓ。设置分析时　间为０．０００２　Ｓ　（五）求解　水杯跌落后最人变形云图自１　３　所示，应／，Ｊ　如　４所示。　（六）参数优化设计及分析　将水杯的外孔　和高嫂设为输　入参数，质繁、最人变形和　人心　力设为输【叶ｌ参数，【ｊ『Ｊ』１＿｛Ｊ接改变杯　体厚度，外孔径变化范　为６２．６８　Ｉ￣１１＂１，高度变化范围为ｌ４Ｉ＿１４５ｍｍ，　埘水杯进行参数优化设汁，　【ＩＩＪ　响应分析中得出输入参数一　ｊ输｝１Ｉ参　数之间的相Ⅱ关系，外孔径与最人　心力之问的犬系如图５所永，高艘与　最人应力之问的火系如　６所　。由　５和　６叮知，　外孔径为６５　ｍｍ，　高度为１４５　ｍｍＨ＇２，最人应力最小，　所以此时足最优的参数，此时杯体　厚度被ＪＪ【Ｊ厚，此时杯体　瞍为３．５　ｍｌｒｌ，底厚６　ｍｍ，此时的杯ｒ强度　较蚶。　ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＰＡＣＫＡＧＩＮＥ　⑨包装技术　Ｂ：跣落分析　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｇｔｒｅｓｓ　Ｔｙｐｅ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ（Ｖ￣ＤＢ－Ｍ　Ｕｎｉｔ：Ｐａ　图４等效应力云图　…”ｃｈａ　ｆ。『Ｐ‘Ｅ　ｍ　………ｍ　ｖ　…ｖｅ，Ｔ『ｍｅ　五　ｎ…　Ｉ＇＇Ｉ　图５　９１＂￣Ｌ径与最大应力之间的关系　Ａ…５ｅ　ｃｈａｎ１ｏＩ　Ｐ４　Ｅｑ　…　ｅ＇　……１ｕｎＩ　ｖ＾１…　ｅｒ　Ｔ。ｍ　图６高度与最大应力之间的关系　三、结语　利用ＡＮＳＹＳ　ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，ｆ１Ｊ‘实　任意　品跌落在仟意指定Ｉ　的跌落过　程仿真。通过对某陶瓷杯的跌落仿　真，利用跌落仿真的心力　，对产　品结构进行指导改进。得剑抗７『ｆＪ击性　能更强的产品。本丈为Ｊ’＇，：　的饿撩仿　真分析提供了一个思路，　ＪＩ．解决了　不同材料间具有拓扑天系的　九网　格划分。在产品的丌技　汁　『ｆ．利　ＡＮＳＹＳ　ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ进　■维建摸并模　拟仿真，厂家　＿Ｊ｛Ｊ冉做产　㈨跛坏试　验，减少实验次数，缩　』　：－　）ｆ技时　间，本文为厂家提供一定参譬，在现　实中具有重要意义。　参考文献　杨志论日用陶瓷产品的包装设计［Ｊ］　科技简报２００３，３６（９）２９—３１　王春雨陶瓷包装现状及改进建议［Ｊ］　佛山陶瓷，２００２．６５（８）２５—２６　吲　王伟我国陶瓷包装的现状与发展思路　［Ｊ］中国包装，２００２（１）：４０—４１　王晓平，黄灵仙，刘启顺．等陶瓷工艺　品包装的力学建模和设计方法研究　［Ｊ］包装工程，２００６　２７（４）：３３—３５　程骊骊．程梦子，雷磊，等基于　Ｓｏ　ｆ　ｉ　ｄＷｏｒｋｓ的产品跌落仿真应用［Ｊ］　包装工程．２０１４．１　３：５１＿５５　邓晓龙．冯国胜，李鹏飞基于Ｃａｔ　ａ建　模Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真的水杯自由落体显示　动力学分析［Ｊ］　承德石油高等专科学　校学报，２０１５．０５　３９—４２　韩春晓，付芸基于ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的　镜头跌落仿真分析研究［Ｊ］长春大学　学报，２０１　３．２３（２）：１４９—１　５Ｏ　张菊飞基于ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的商用　汽车暖风机的物流运输包装设计与研　究［Ｄ］陕西科技大学，２０１　３　张慧，王军陶瓷餐具多次跌落损伤及其　表征［Ｊ］．包装工程，２０１１，３２（５）：３６－３７　…