Kanokporn WONG-ON

摘  要：将有限元分析（FEA）应用于LED电视包装件的随机振动仿真和多目标优化设计。利用有限元分析软件ANSYS Workbench建立LED电视包装件模型，设置材料参数，进行静态结构分析，然后利用EPE代替EPS缓冲材料，对LED电视包装件进行优化设计，并对比优化前后LED电视包装件的缓冲垫质量和总变形等参数。研究表明：优化后的包装件在有效保护产品的前提下，其衬垫和包装箱材料分别减少了37.71%和4.7%，达到了减量化设计的目的。

关键词：LED电视包装件;随机振动;有限元分析;优化设计

0    引言

随着家电消费的不断增加，产品包装扮演的角色越来越重要。家电包装件包括产品、缓冲衬垫和瓦楞纸箱，为验证缓冲包装的可靠性，一般需要进行运输包装试验，但试验过程是破壞性的，对产品的损伤很大。而使用有限元分析，则可有效避免这一情况，且方便修改设计和分析参数，以获得包装成本尽可能小、包装效果尽可能好的缓冲包装设计。

本文采用ANSYS Workbench进行LED电视的静态结构仿真分析和缓冲结构优化设计，获得了用EPE泡沫代替EPS泡沫的新的缓冲包装设计结果，并对比分析了原包装与优化包装之间的测试结果。

1    LED电视包装有限元分析基础

1.1    模型建立

所使用的样品是SAST LED电视机，型号为LY315-DH01，规格为730 mm×76 mm×435 mm，外包装为瓦楞纸箱，尺寸为781 mm×135 mm×500 mm。缓冲衬垫材料是EPS泡沫，以角包装形式保护电视免受损伤，并用蜂窝纸板保护电视屏幕。利用建模软件SolidWorks创建LED电视包装件模型，包括LED电视、瓦楞纸箱、EPS泡沫、蜂窝纸板四部分。

1.2    参数设置

选用Hex-dominant作为网格元件，对LED电视包装件模型进行网格划分，如图1所示，其节点数为1 694 246，单元数为438 430。选用Boned和Frictional两种接触，Boned接触指电视本体和部件之间的接触，而Frictional接触指电视、包装盒和缓冲材料之间的接触，材料表面的摩擦系数设为0.12。

建模时需要指定材料属性，如表1所示，以使模型最接近实际产品结构。

2    新型LED电视包装设计优化

2.1    优化模型

新设计应减少缓冲材料的数量，以减轻包装的重量，同时保证有效性，以防止产品损坏。本文用EPE泡沫代替EPS泡沫设计了新的缓冲包装结构，如图2所示，选取衬垫重量、总变形、第一自然频率作为目标函数，控制参数范围如表2所示。

2.2    优化结果

本文设计了6种不同尺寸的EPE泡沫衬垫，优化结果如表3所示。H1对第一自然频率（P5）的敏感性最高，影响最大，呈正相关关系;对于缓冲垫质量（P6）和总变形（P4）敏感性略低，但总变形呈负相关。基于以上因素的分析，优化结果主要通过改变H1的长度和调整H2的高度来实现。

基于上述原因，选择OP1作为新的缓冲设计。优化结果与原包装对比如表4所示。优化后系统性能有了明显的提高，缓冲垫质量、箱体尺寸、最大变形均显著降低，达到了轻量化包装的目的。

3    原包装与新包装有限元分析结果对比

优化后的包装与原始包装静态结构仿真分析如图3所示。结果表明，优化后的包装瓦楞纸箱总变形从2.226 mm减少到1.558 mm，减少30%;等效应力从37.6 MPa降到37.375 MPa，减少0.6%。可见，EPE作为缓冲材料的性能优于EPS，达到了轻量化包装的目的。

4    结语

本文将FEA应用于电视包装件的静态结构仿真分析和缓冲结构优化设计，新的优化设计不仅减小了电视包装的尺寸，还减少了在运输过程中造成的损坏，降低了物流成本。使用FEA能准确预测产品损坏的位置，减少试错过程和试验损耗，为缓冲包装结构设计提供指导。

收稿日期：2020-06-05

作者简介：Kanokporn WONG-ON（王佳颖）（1993—），女，泰国人，硕士研究生在读，研究方向：包装动力学。