（广东长虹电子有限公司 广东中山）
摘要:利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，建立长虹电视带包装的参数化有限元模型，对电视裸机与带包装两种工况下的跌落仿真模拟和跌落实验；获得两种工况下跌落冲击地面时的等效应力分布和独立部件加速度峰值曲线；分析跌落冲击时包装对电视机独立部件加速度峰值的弱化程度。为产品结构改进和包装设计提供可靠的参数。
关键词:跌落冲击；有限元仿真；电视机；包装结构
电视类家电产品在装载和运输过程中都可能受到强烈的振动、碰撞和冲击，而其包装结构对跌落冲击响应特性的品质影响着产品开箱的合格率。按照GB/T4857中行业规定出厂时需要对样品带包装进行垂直冲击、水平冲击、扫频与定频振动等实验，来保证产品出厂质量和了解包装件在实际流通过程中对随机冲击的响应以及包装对产品最终损害之间的关系，为产品和包装的改善提供依据。此类实验内容多达十多项目，试验费用比较高，作用时间很短、不易控制，无法获得空间、时间上的连续结果，得到的物理参数有限；且实验后发现的损坏问题，也很难找出损害的根源所在，这给产品的改进工作带了困难。本文利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，结合物理实验，分析产品的包装对跌落冲击响应特性，提高产品包装的减振性，避免产品因结构设计强度不足而损坏；减小设计人员对产品抗冲击性能设计的局限，从而有效地提高企业研发能力和产品的竞争力。
一、建立有限元模型
1.1电视机结构的有限元模型
模型简化和网格划分是建立有限元模型的一个重要环节，也将直接影响计算结果精度和计算规模。该型电视机结构复杂，根据长虹公司提供的该产品结构尺寸参数，在ANSYS中采用APDL(ANSYSParametricDesignLanguage)从下向上建立参数化模型，根据该型电视机结构特征对其简化。用thinshell163薄壳单元建立电视机前后壳体板、瓦楞纸箱和CRT显像管，缓冲泡沫垫采用solid186实体单元，将实体号和材料属性等参数放入数组中，用嵌套循环语句来生成实体和完成网格的划分，以便能更有效的调整模型和生成质量较高网格，见图1。
图1
1.2有限元模型的材料参数
电视机结构中存在的前后壳联接为螺钉联结，采用LS-DYNA的约束方程算法定义，定义电视机、缓冲垫和瓦楞纸箱两两相互关系为3对面-面接触对。带包装的整机实际质量为25.5kg，模型的总质量在LS-DYNA输出列表(此表包括地面单元质量)中为26.7kg，质量误差为4.7%。电视机跌落为自由跌落，跌落方向模型中为Y方向。在有限元模型中，有44402个单元、45525个节点；用双线性随动硬化材料模型描述电视机。
二、仿真与实验结果分析
跌落冲击时产品是否损坏，与物品的脆值大小有关外，还受到跌落高度和缓冲性能特性的控制。根据破损边界曲线理论，电视机结构的破损受2个边界条件的约束:允许的最大加速度Gm；冲击脉冲持续时间T。独立部件的加速度峰值，是结构设计的重要依据和产品在对跌落冲击响应的特征参数。电视机包装对跌落冲击的响应特性和电视机整机保护效果，体现于在跌落冲击过程中包装对电视机独立部件加速度峰值的弱化程度。图2为长虹LED50C2000包材破损照片，根据长虹公司的机械强度实验要求，电视机的跌落高为0.8m。本文采用ANSYS/LS-DYNA软件的前处理、求解器和LS-PREPOST的后处理器，实现该型电视机裸机与带包装两种状况下自由跌落仿真模拟，并结合跌落实验采用MATLAB软件采集数据并测定出两种工况下电视机各独立部件加速。
图 2
2.1试验标准对比
按照Newegg公司实际的销售条件，全部采用快递运输方式，为此需满足ISTA 3A的试验要求，先前LED50C2000已经通过了以下试验标准：
■ISTA 1A ■长虹国内机标准QB∕JU790-2010机强试验
ISTA 3A属于国际运输联盟高级试验程序，远远高于目前出口市场通用的ISTA 1A测试标准，以下为标准对比（以50寸为例）：
从上表可以看出，ISTA 1A标准在1台机器上全部实现面、棱、角的跌落；国内机标准是在3台机器上分别实现面、棱、角的分别跌落，从标准上略低于ISTA 1A标准，但与ISTA 3A标准差异巨大。
2.2整改措施
为降低退货率及屏裂比例，需从包装纸箱及EPS/EPE选材、包装设计方式上进行改进，以下为改进方案及成本对比：
（1）纸箱改进1：
从以上对比数据可以看出，采用配纸方式2在成本上及数据对比上优势明显，因此建议采用此方案。
2.2.1 EPS/EPE选材：
（1）采用EPS改进：
EPS主要在融结率上进行改进，下表为不同融结率的成本差异：
为提高泡沫产品的耐冲击性能，建议美国产品采用60-70%的融结率进行生产，预计增加成本1.99元/套。
（2）采用EPE包装：
从以上对比可以看出，采用EPE增加成本过多，在现有成本压力下，预计美国子公司无法承受该成本，因此不建议50寸采用EPE方案。
2.2.3包装设计方式改进
由上、下分体式设计更改为上下连体设计，预计增加用量100g，增加成本2元左右。
2.3改进后试验结果：
改进后EPS及EPE方案采用ISTA 3A国际运输联盟试验程序摸底合格。近期须安排正式认证测试。
结语
在对该型电视整机的裸机与带包装两种工况下，跌落仿真与相应的实验测试数据基本吻合，并对其分析得出:该型电视机在裸机跌落冲击下，机体底座变形大，电视机后壳与CRT尾部对加速度响应十分剧烈，超出了加速度设计要求的许用大小，成为严重损伤及破坏的危险区域；但在带包装的跌落冲击工况下，冲击应力分散给电视机结构的各部件，大大减小了应力集中；加速度峰值降低到裸机跌落时的1/6左右，并迅速衰减。该型电视机的包装缓冲垫吸收了跌落过程中绝大部分的冲击能量，大大减小了冲击应力，充分保护了CRT与外壳结构的薄弱环节。通过试验发现在CRT与前壳的应力仍相对集中、在跌落冲击过程中包装对其改善不十分明显，应对电视机结构或其包装采取适当加强措施。
参考文献：
[1] 李小丽. 非线性缓冲包装系统冲击特性的仿真研究[D]. 西安理工大学 2014(05)
[2] 王俊丽,陈喜春. 缓冲包装的跌落仿真[J]. 包装工程. 2015(09)
[3] 吴彦颖,郑全成. 运输包装件跌落冲击响应仿真分析[J]. 中国包装工业. 2013(05)
[4] 马国鹭,曾国英,刘丽贤. 电视包装衬垫结构优化设计[J]. 浙江工业大学学报. 2015(05)
论文作者:叶家方
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/11
标签：电视机论文; 模型论文; 加速度论文; 长虹论文; 结构论文; 产品论文; 裸机论文; 《电力设备》2016年第14期论文;