搜索
·14·运输包装基于ANSYSWorkbench对玻璃杯包装的跌落分析■文/天津科技大学付秋莹摘要：以玻璃杯为研究对象，通过ANSYSWorkbench软件对玻璃杯进行跌落仿真分析。玻璃杯在一定的高度下自由落体式跌落，通过计算机模拟它与地面面跌落接触碰撞，从碰撞后玻璃杯的变形和应力分布图中得到其最大形变和最大应力，并与实际跌落试验进行对比。通过ANSYSWorkbench软件的有限元分析可以为产品包装设计提供有利数据，从而缩短设计周期，降低研发成本，使包装设计更为科学可靠。关键词：玻璃杯；跌落仿真；ANSYSworkbench有限元法的基本步骤是对问题分析后进行单元定义与网格划分，输入外部载荷及响应，通过计算最终求解的过程[2]。目前有限元分析法被广泛应用在大型线性方程组的求解、非线性问题的求解、动力问题的计算等领域，本文运用的是ANSYSWorkbench软件，并在ExplicitDynamics模块下进行玻璃杯的跌落仿真与分析。（二）ANSYSWorkbench软件介绍作为一个大型的计算机辅助分析软件(ComputerAidedEngineering，CAE)，随着计算机技术和有限元理论的发展，ANSYS在各个领域得到了广泛的应用，在ANSYS软件的分析能力和各项操作完善和发展的过程中，可以利用它进行工程和结构的安全性能和可靠性能的分析，从仿真中发现影响产品安全的问题所在，对其优化和改进来保证产品和结构的安全性。在包装行业中，通过产品的跌落试验仿真分析和运输包装的随机振动试验仿真分析，来证明包装设计的可行性。例如吸尘器[3]、洗衣机[4]、笔记本电脑[5]等电器的运输包装分析，对易拉罐[6]、啤酒瓶[7]的跌落仿真分析。近年来，ANSYSWorkbench凭借其新颖的操作界面和明了的操作思路，深受用户的好评，它兼容了各大有限元分析软件的优势，也使其广泛应用在能源、机械、工程力学、土木工程、电子工程以及航空航天等重要领域。二、玻璃杯跌落仿真分析本次实验的玻璃杯跌落仿真分析选用ANSYS玻璃的制造与使用已经有超过五千年的历史，作为世界上最大的玻璃产品生产国与贸易国，为具有较大脆性的玻璃产品进行合理的包装设计，可大大减少产品在物流运输途中因冲击碰撞而发生的损坏，从而避免玻璃产品失去其使用价值。玻璃产品被公认是世界上在安全的包装材料之一，日用玻璃产品中，日用及家用各类玻璃器皿等产量占玻璃产品总产量的20%[1]，作为日常盛装液体的玻璃水杯，而其损坏很大程度是由于跌落碰撞造成的，通过分析其跌落冲击过程，了解冲击时物体的结构变形与应力变化。跌落碰撞发生的时间非常短，远小于0.1s，且跌落的过程复杂，难以控制，传统的试验无法完整的展现跌落碰撞全过程，而计算机模拟仿真的出现很好的解决了这一难题，因此本文通过ANSYSWorkbench有限元的方法模拟产品实际运输流通环境下模型的跌落过程，通过运算得到全面而精确的评定。一、有限元分析概述（一）有限元分析法有限元分析法（FiniteElementAnalysis，FEA）的基本思路是将连续的求解区域离散为一组有限个，且按一定方式相互连接在一起的单元组合体，单元能按不同的联系方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以对复杂的模型进行求解[2]。简单来说就是将一个系统划分为有限个相互关联的节点或单元，对每一部分进行分析并求解，最终得到结果，将复杂问题简单化。10.19446/j.cnki.1005-9423.2018.03.002·15·运输包装璃材料，上下缓冲衬垫赋予EPP材料，地面赋予结构钢材料。然后进行网格划分，ANSYS网格划分工具（Meshing）提供了最常用的网格划分控制和最常用的网格划分操作，它包括单元属性设置区域、智能网格划分控制区域、单元尺寸控制区域、网格划分方法控制区域和细化单元控制区域五个区域组成[8]。划分的网格越小，计算的精确度就越高，大量的细化单元同时计算会延长结果的运算时间，因此要合理恰当的进行网格的划分。相关度设置为0，相关中心设置为Coarse，生成网格后有节点10228个，单元28715个，网格划分如图2所示。（四）加载条件在碰撞过程中，地面被视为没有位移变化的刚性体，故在地面上添加固定约束。本次模拟跌落采用杯口朝下的方式，产品与地面垂直碰撞，进行面-面接触，故将地面与缓冲衬垫间的连接方式设置为无摩擦，除地面外的各部分连接方式设置为绑定。模拟运输包装件在公路或铁路中的跌落试验，产品质量小于10Kg，等效跌落高度为800mm[10]，将产品看做自由落体式跌落，即设置产品和缓冲衬垫的初速度为3.96m/s。设置最大循环速度为10000次，分析时间为0.1s。（五）结果后处理对玻璃杯跌落后的等效应力和总变形进行求解。得Workbench软件中的ExplicitDynamics模块来进行。ExplicitDynamics是Workbench的显示动力学分析模块，它可以充分利用Workbench高效快速的前处理技术，方便地实现与其他模块的数据共享，实现跌落和冲击碰撞等显示动力学问题[8,9]。（一）几何体模型运用SolidWorks软件分别建立玻璃杯、上下两个缓冲衬垫以及模拟地面的长方体模型并装配成体，玻璃杯与缓冲衬垫尺寸由实际测得，如图1所示：玻璃杯杯口外直径为90mm，杯底外尺寸60mm，高度110mm，杯体厚度1.5mm。缓冲衬垫为100mm×100mm×30mm的长方体，上缓冲衬垫中心设有外直径90mm，内直径75mm，深度15mm的环形杯口卡槽，下缓冲衬垫的圆形卡槽直径为65mm，深度10mm。将文件保存为“.x_t”格式并导入ANSYS。（二）材料属性在EngineeringDate中添加自定义材料，通过Density和IsotropicElasticity模块输入三种材料的性能参数，如表1所示，其中模拟地面的材料选用结构钢。（三）划分网格在Model中给各模型添加材料属性。赋予水杯玻图1三维几何模型材料密度（kg/m3）弹性模量(Pa)泊松比玻璃24606.89x10100.23EPP318.96x1080.41刚性墙78502.0x10110.30表1材料参数性能图2网格划分·16·运输包装通过跌落实验获得的加速度-时间的关系曲线中，粉色、蓝色、绿色分别代表X轴、Y轴和Z轴的加速度。由于产品跌落过程复杂，产品跌落至地面时难以实现理想化的平跌落，因此会在三个方向上都产生加速度。试验中的产品需要经过漫长的包装设计周期，另外，进行破坏性测试时所需样品个数较多，对测试仪器也有较高的要求，会产生较高的研发成本。因此通过试验获得数据进行包装设计具有一定的局限性。四、结语利用ANSYSWorkbench模拟产品在各种情况下的跌落实验。通过对玻璃杯包装的跌落仿真，得到其跌落仿真的应力云图，在应力云图的指导改进包装结构，得到抗冲击性能更强、缓冲效果更好的包装。在包装的开发设计中，对产品进行三维建模并利用ANSYSWorkbench进行模拟仿真，可获取有力数据，避免试验中产品的损伤与破坏，缩短设计周期，降低研发成本。本文提供了一个产品碰撞仿真分析的思路，为易碎品的包装设计提供一个参考，具有一定的实际意义。参考文献到玻璃杯的应力云图如图3所示，玻璃杯的最大变形云图如图4所示。三、玻璃杯跌落实验以玻璃杯及其上下缓冲衬垫为试验材料，跌落高度为0.3m，杯口朝下跌落至混凝土地面，通过传感器获取玻璃杯跌落信息，得到跌落时间与加速度的关系曲线如图5所示。图3最大变形云图图4等效应力云图图5加速度-时间曲线[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10]赵万邦.中国日用玻璃产业现状与发展前景[J].上海建材,2015(5增刊):32－33.刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002.华丽,洗衣机运输包装的跌落仿真及可靠性探讨[D].无锡:江南大学,2008.卜杨,张新昌.基于AnsysWorkbench的吸尘器振动与跌落仿真[J].包装工程,2017,38（13）:122-127.宋日恒,张治国.基于ANSYS的笔记本电脑包装件跌落仿真研究[J].浙江科技学院学报,2009,21（4）:332-335.张改梅,仵季红,郭福宾.基于ANSYS/LS-DYNA的易拉罐跌落研究[J].包装工程,2013,32（5）:4-6.王春霖,张丽强,王振林.基于ANSYS的啤酒瓶跌落仿真应力分析[J].包装工程,2006,27(4):23-25.张洪才,何波.有限元分析--ANSYS从入门到实战[M].北京:机械工业出版社,2012.张建伟,白海波,李昕.ANSYS超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社,2013.GB/T9174-1988.一般货物运输包装通用技术条件[S].国家标准局,1989.