謝玉兵 等
摘 要:CAE又稱為計(jì)算機(jī)輔助工程,也就是通過虛擬分析的方法來模擬結(jié)構(gòu)的性能,從而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,能夠解決實(shí)際的工程問題,指導(dǎo)產(chǎn)品的研發(fā)。本文對(duì)基于CAE的冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與外包裝方案進(jìn)行了分析和優(yōu)化,從而有效地提高外包裝對(duì)冰箱產(chǎn)品的防護(hù)能力,降低產(chǎn)品成本。
關(guān)鍵詞:CAE;冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu);外包裝方案
使用CAE軟件能夠?qū)a(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足查找出來,從而有效的對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。在冰箱的總成本中,包裝占了很大的比例,但是卻沒有起到應(yīng)有的效果。電冰箱的包裝質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的開箱合格率和損壞率,如果能夠?qū)Ρ涞陌b質(zhì)量進(jìn)行改善,則能夠有效地降低產(chǎn)品的維修成本和運(yùn)輸損壞率。
1 基于CAE的冰箱左右側(cè)墊包裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化
沖擊和戳穿是冰箱左右側(cè)的主要破壞形式,可以使用橫木撞擊實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。冰箱的外包裝材料為EPS泡沫和紙箱,冰箱的結(jié)構(gòu)件材料為PU發(fā)泡層、ABS、冷軋鋼板。紙板的耐破強(qiáng)度為1.765MPa,法向E為100MPa;垂直瓦楞的方向E為25MPa,沿瓦楞方向E為10MPa,因此最終E為1.3MPa。冰箱包裝件的包裝板的瓦楞方向和包裝間的結(jié)構(gòu)方向改變之后,能夠?qū)ν鈦淼臎_擊能力進(jìn)行抵抗[1]。根據(jù)CAE技術(shù),應(yīng)該在能夠抵抗外來沖擊的基礎(chǔ)上盡量節(jié)約材料的用量。
①戳穿CAE分析。共有4種方案分析冰箱側(cè)墊結(jié)構(gòu)的紙板箱結(jié)構(gòu):縱向和橫向的瓦楞板配合長(zhǎng)圓孔和圓孔。對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行改變,使用CAE軟件來分析和評(píng)價(jià)戳穿,從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。中部開孔部位是測(cè)電最薄弱的區(qū)域,分別承受的頂荷載為20×60、20×40、20×20,區(qū)域均布荷載為250N。②橫木撞擊CAE分析。冰箱在遭受橫木撞擊之后不得出現(xiàn)機(jī)械變形和損傷,使用100×100的橫木在相距1米處對(duì)冰箱進(jìn)行撞擊。橫向直板和縱向直板都能夠通過撞擊實(shí)驗(yàn),根據(jù)分析結(jié)果,只要合理的搭配內(nèi)泡沫墊和包裝紙板箱,就能夠承受橫木撞擊,提高產(chǎn)品的抵抗能力,并且節(jié)省材料用量。
2 基于CAE的冰箱前后墊結(jié)構(gòu)優(yōu)化
改變紙箱瓦楞的縱向方向,將其改為橫向方向。原有的前后墊寬度為400mm,現(xiàn)改進(jìn)為200mm,原有的厚度為10mm,現(xiàn)在加到18mm,減少了5.7%的材料用量。經(jīng)過CAE分析,改進(jìn)冰箱前后墊方案之后,其能夠與泡沫進(jìn)行更好的配合,有效地提高了其抵抗外來沖擊的能力,順利通過了橫木撞擊試驗(yàn)。以此為基礎(chǔ)分析和改進(jìn)了抵抗戳穿的能力,改進(jìn)之后能夠?qū)﹂T體進(jìn)行更好的保護(hù)[2]。
3 基于CAE的冰箱側(cè)板變形加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化
分析和對(duì)比側(cè)板可以發(fā)現(xiàn),由于生產(chǎn)制造和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足,側(cè)板在運(yùn)輸和發(fā)泡的過程中容易出現(xiàn)變形。
①側(cè)板發(fā)泡過程中的受力。以已知條件為根據(jù),對(duì)各邊界條件進(jìn)行定義。固定側(cè)板底部側(cè)板上端會(huì)產(chǎn)生位移,這是由發(fā)泡磨具的精度誤差造成的,位移約為0.5-1mm。將發(fā)泡塑料產(chǎn)生的壓力施加在側(cè)板大平面上,最后產(chǎn)生了0.1mm的最大變形量。這充分說明側(cè)板變形會(huì)受到發(fā)泡模具精度的影響。②分析后底板海綿的影響作用。海綿可以避免冰箱發(fā)泡后底板露出泡料,因此,側(cè)板的變形會(huì)受到海綿用量的影響。例如單層海綿的情況下,其最大變形量能夠達(dá)到0.1275mm,逐漸增加海綿的層數(shù)之后,變形量也會(huì)隨之增大,最后達(dá)到0.2mm。因此海綿的厚度作用和后底板裝配尺寸鏈都會(huì)影響側(cè)板變形。③分析加強(qiáng)鐵不到位裝配的影響。在實(shí)際裝配中,加強(qiáng)鐵如果存在裝配不到位的現(xiàn)象,也會(huì)對(duì)側(cè)板變形造成影響。例如假設(shè)側(cè)板下翻邊的間隙為2mm,固定側(cè)板和發(fā)泡層的接觸部位,箱體自重荷載由側(cè)板底部承受。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),側(cè)板壓縮機(jī)艙部位會(huì)產(chǎn)生0.616mm的變形量。這充分說明側(cè)板變形會(huì)受到加強(qiáng)鐵裝配不到位的影響[3]。④分析加強(qiáng)鐵的結(jié)構(gòu)。通過CAE軟件,對(duì)不同結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)鐵和加強(qiáng)板的組合進(jìn)行棱跌落、角跌落、平跌落分析,能夠?qū)⒑侠淼募訅w結(jié)構(gòu)確定下來。通過比較發(fā)現(xiàn),加強(qiáng)鐵如果不能進(jìn)行可靠的固定,就會(huì)造成跌落中的串動(dòng),從而引起側(cè)板變形。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)鐵的最大變形量是1.225mm,因此要抵抗冰箱角跌落的沖擊,就應(yīng)該在冰箱的后底板上支撐可靠的加強(qiáng)鐵。
要避免冰箱的前角變形的情況,就應(yīng)該將加強(qiáng)鐵前端的缺口取消,并且對(duì)加強(qiáng)鐵進(jìn)行可靠的裝配,使其能夠抵抗腳跌落的沖擊,保障結(jié)構(gòu)的可靠性。
4 基于CAE的冰箱底部跌落優(yōu)化
①分析冰箱的底部結(jié)構(gòu)。在冰箱跌落的過程中,底墊會(huì)與壓縮機(jī)托板滾輪內(nèi)側(cè)進(jìn)行接觸,從而產(chǎn)生一定的反力,造成托板的變形。因此,應(yīng)該設(shè)置至少15mm的底墊平面避空。冰箱的前墩角在跌落的過程中會(huì)產(chǎn)生大約10mm的底墊壓縮量,并與泡沫產(chǎn)生接觸,從而造成前端腳承受的反作用力較大。②分析冰箱的組合底墊結(jié)構(gòu)。組合底墊不僅要能夠抵抗冰箱沖擊跌落的能力,而且還要盡量降低底墊成本。根據(jù)CAE軟件的分析,可以適當(dāng)?shù)脑黾拥讐|泡沫和支撐柱零件組合,支撐柱能夠產(chǎn)生24MPa的應(yīng)力,從而有效的抵抗冰箱的沖擊跌落。
5 基于CAE的冰箱頂部承載優(yōu)化
使用CAE軟件對(duì)冰箱頂部進(jìn)行分析,主要是為了找出頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題。CAE軟件能夠?qū)Ρ涞难b卸、搬運(yùn)和運(yùn)輸過程進(jìn)行模擬,頂部的抗拉強(qiáng)度最小值為18MPa,在運(yùn)輸和裝卸過程中頂蓋會(huì)產(chǎn)生10.95MPa,而在低溫下材料的抗沖擊強(qiáng)度僅為2MPa。因此,如果要在冬天對(duì)冰箱進(jìn)行運(yùn)輸和裝卸,頂部邊緣很容易出現(xiàn)破損,應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾优菽瓑|。
6 結(jié)語(yǔ)
CAE軟件在家用電器的開發(fā)設(shè)計(jì)中用的比較普遍,能夠?yàn)榧译娖髽I(yè)提供有效的技術(shù)優(yōu)化方案,通過對(duì)冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與外包裝方案的優(yōu)化,將包裝紙箱的瓦楞方向改為橫向,減少了冰箱外包裝前后墊10%的泡沫材料用量,不僅能夠有效地拓寬原材料的供應(yīng)渠道、降低對(duì)冰箱生產(chǎn)設(shè)備的要求,還能夠減少冰箱結(jié)構(gòu)件的金屬材料用量。
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