CN107423485A - 带包装的产品跌落仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及跌落仿真分析领域，公开了一种带包装的产品跌落仿真分析方法，解决带包装的产品跌落仿真分析问题。包括步骤：采集产品上各测试点的跌落冲击加速度数据；对虚拟样机3D模型进行干涉修复，模型修复后划分网格，并输出计算K文件；对计算K文件进行编辑；根据计算K文件进行跌落仿真计算，计算得到底板测点加速度及各部件动态应力应变场分布云图；根据实测加速度数据与仿真计算加速度数据对比结果，判断仿真准确性，若准确，根据仿真计算应力应变云图和有效塑性应变指标评价各个部件的跌落抗冲击强度。本发明适用于带包装空调。
Description
技术领域
本发明涉及跌落仿真分析领域，特别涉及带包装的产品跌落仿真分析方法。
背景技术
空调器等家用电器在运输和搬运过程中常出现跌落现象，因此对产品包装的可靠性和产品的抗冲击强度提出了更高要求。跌落实验是验证产品包装可靠性和产品抗冲击强度的直观手段，但实验成本高、实验周期长，又不能确定产品在实验中出现的问题是由包装设计环节引起还是产品结构设计环节引起，往往以整改包装结构、增加包装成本方式来解决问题，处于边整改边验证阶段；而跌落仿真技术能够解决上述问题，在概念设计阶段可为产品强度设计提供依据，缩短产品开发周期。
带包装产品跌落仿真的准确性主要取决于以下几点：有限元跌落模型中各个部件的材料参数是否与实际一致；各个部件的材料本构关系能否准确或完全的表现其在跌落过程中的受力状态；可预知接触和不可预知接触是否准确设定。目前，评判带包装产品的跌落仿真结果的准确性一般都是以仿真结果形变部位与实验变形部位是否一致为依据，若仿真结果与实验不一致，则需对包装材料参数进行修改，直至仿真结果与实验结果一致为止，而这种的评判方式过于粗糙，没有直观的数据考量对比，再通过实验结果修正的包装材料仿真参数并不一定能够真实反应其在跌落过程中的受力状态，因此修正后的包装材料参数在以后跌落仿真中可移植性低，不能在概念设计阶段准确预估包装结构的缓冲性能和产品的抗冲击强度。因此，研究一种全面的带包装产品跌落仿真分析方法很有必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种带包装的产品跌落仿真分析方法，解决带包装的产品(例如空调)跌落仿真分析问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：带包装的产品跌落仿真分析方法，包括如下步骤：
在产品底板上的测试点布置加速度传感器；
采集产品底板上各测试点的跌落冲击加速度数据；
对虚拟样机3D模型进行干涉修复，模型修复之后划分网格，网格划分之后输出计算K文件；
对计算K文件进行编辑，包括：结合带包装产品在跌落过程中的运动特性，确定各个部件材料的本构模型，并向本构模型赋予材料参数，以节点刚性体单元模拟螺钉连接关系，以单面接触算法和面对面接触算法作为接触主算法，边界条件为固定刚性面的全约束，载荷条件为跌落碰撞时整机产品与刚性面的相对速度；
根据计算K文件进行跌落仿真计算，计算得到底板测点加速度及各部件动态应力应变场分布云图；
根据实测加速度数据与仿真计算加速度数据对比结果，判断仿真准确性，若准确，根据仿真计算应力应变云图和有效塑性应变指标评价各个部件的跌落抗冲击强度。
进一步的，在产品上布置至少3个加速度传感器。
进一步的，利用SCDM软件对虚拟样机3D模型进行干涉修复。
进一步的，模型修复之后利用Mesh或ICEM软件对其划分网格。
进一步的，划分的网格类型包括四面体壳单元、六面体实体单元和质量单元。
进一步的，利用Ls-PrePost软件对计算K文件编辑。
进一步的，利用ANSYS Multiphysics/LS-DYNA软件对计算K文件进行调试计算，若求解程序报错，则基于网格模型、材料参数、求解时间对求解程序进行修正，直至求解程序正常计算，计算得到测试点加速度曲线和整机有效塑性应变云图。
本发明的有益效果是：本发明首先通过跌落实验获取跌落实验数据，同时仿真计算得到测点加速度及各部件动态应力应变场分布云图等仿真结果数据；然后将测试数据与仿真结果数据做对比，证明仿真结果准确可信，最后根据仿真计算应力应变云图和有效塑性应变指标评价各个部件的跌落抗冲击强度，形成全面准确的带包装产品跌落仿真方法。在此基础上形成的仿真分析方法可更好的指导产品结构设计优化和包装方案优化。
附图说明
图1是带包装产品跌落仿真分析方法流程图。
图2是跌落实验数据采集示意图。
图3是不同应变率下的泡沫应力应变曲线。
图4-6是不同测点仿真加速度与实测加速度的曲线图.
图中编号：1为跌落实验台，2为带包装空调，3为加速度传感器，4为数据采集仪，5为PC。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明以跌落实验加速度数据和跌落后产品变形部位为基准，验证包装产品跌落仿真结果的准确度和可信度，根据该仿真方法计算所得结果能够为产品和包装结构设计或改进提供依据。
首先，如图2所示，利用跌落实验台1、数据采集仪4及PC5采集带包装空调器2在不同工况条件下的跌落冲击加速度数据，在带包装空调上2布置至少3个加速度传感器3，数据采集仪的采样频率设置为1KHz，采集带包装空调的跌落冲击加速度数据，得到各个测点的加速度曲线。
然后，采用如图1所示的带包装产品跌落仿真分析方法流程图，进行仿真分析，具体过程如下：
利用SCDM软件修复虚拟样机3D模型干涉，根据空调器整机及其包装结构，利用Mesh或ICEM软件对其划分网格(网格的质量和尺寸大小直接决定求解精度和求解时间步长)，其中，薄壁类钣金件采用四边形壳单元，包装件、电机、阀门等采用六面体实体单元，对一些不影响计算结果的结构可用质量单元代替，网格划分完成后，输出计算K文件。
利用Ls-PrePost软件对计算K文件进行编辑，为带包装空调器中的各个结构部件定义其材料本构模型，并赋予材料本构模型中所需材料参数。泡沫材料采用冲击泡沫材料模型(CRUSHABLE_FOAM)，所需参数为密度、弹性模量、应力应变曲线等，其中应力应变曲线由力学性能实验所得，且该曲线与泡沫应变率关联性很大，不同的应变率对应不同的应力应变曲线如图3所示；钣金件材料采用动力硬化弹塑性模型(PLASTIC_KINEMATIC)，所需参数为密度、弹性模量、泊松比、切向模量、屈服强度等，其中切线模量和屈服强度由力学性能实验所得；纸箱材料采用多线性弹塑性模型(PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)，所需参数为密度、弹性模量、泊松比和应力应变曲线等，其中有效应力应变曲线由力学性能实验所得，且该曲线与产品跌落工况(面、棱、角)关联很大，不同的跌落工况对应不同的应力应变曲线，且棱、角跌落工况下的应力应变曲线以等效思想取其有效应力应变曲线。
利用Ls-PrePost软件设置螺钉连接关系和接触算法，其中螺钉连接关系采用节点刚性体(CNRB)模拟，接触算法采用单面接触算法和面对面接触算法，对于接触区域不能提前预知的自接触或大变形问题，采用单面接触，对于接触表面已知且具有大接触区域时采用面对面接触算法。
利用Ls-PrePost软件设置边界条件及载荷，其中边界条件为给刚性面添加固定约束，而对刚性面施加固定约束只能施加到其质心上，载荷条件为跌落碰撞时整机产品与刚性面的相对速度。
利用ANSYS Multiphysics/LS-DYNA软件对K文件进行调试计算，若求解程序报错，主要从网格模型、材料参数、求解时间步长三方面入手进行修正，直至求解程序正常计算，计算得到测试点加速度曲线和整机有效塑性应变云图。
将仿真计算加速度数据与实测加速度数据进行对比，若仿真加速度曲线与实测加速度曲线偏差较大，则需对有限元模型进行修正，进行调试计算，直至各测点的仿真加速度曲线与实测加速度曲线在误差允许范围内，图4-6为各测点仿真与测加速度数据对比曲线；再根据仿真所得的带包装器各部件动态应力应变场分布云图，依据最大应力和最大有效塑性应变判断整机产品的抗冲击强度，其中对于弹塑性材料依据其最大有限塑性应变应小于0.1准则判定，形成全面准确的带包装产品跌落仿真分析方法。
以上描述了本发明的基本原理和主要的特征，说明书的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.带包装的产品跌落仿真分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
在产品上的测试点布置加速度传感器；
采集产品上各测点的跌落冲击加速度数据；
对虚拟样机3D模型进行干涉修复，模型修复之后划分网格，网格划分之后输出计算K文件；
对计算K文件进行编辑，包括：结合带包装产品在跌落过程中的运动特性，确定各个部件材料的本构模型，并向本构模型赋予材料参数，以节点刚性体单元模拟螺钉连接关系，以单面接触算法和面对面接触算法作为接触主算法，边界条件为固定刚性面的全约束，载荷条件为跌落碰撞时整机产品与刚性面的相对速度；
根据计算K文件进行跌落仿真计算，计算得到测点加速度及各部件动态应力应变场分布云图；
根据实测加速度数据与仿真计算加速度数据对比结果，判断仿真准确性，若准确，根据仿真计算应力应变云图和有效塑性应变指标评价各个部件的跌落抗冲击强度。
2.如权利要求1所述的带包装的产品跌落仿真分析方法，其特征在于，在产品上布置至少3个加速度传感器。
3.如权利要求1所述的带包装的产品跌落仿真分析方法，其特征在于，利用SCDM软件对虚拟样机3D模型进行干涉修复。
4.如权利要求1所述的带包装的产品跌落仿真分析方法，其特征在于，模型修复之后利用Mesh或ICEM软件对其划分网格。
5.如权利要求1所述的带包装的产品跌落仿真分析方法，其特征在于，划分的网格类型包括四面体壳单元、六面体实体单元和质量单元。
6.如权利要求1所述的带包装的产品跌落仿真分析方法，其特征在于，利用Ls-PrePost软件对计算K文件编辑。
7.如权利要求1所述的带包装的产品跌落仿真分析方法，其特征在于，利用ANSYSMultiphysics/LS-DYNA软件对计算K文件进行调试计算，若求解程序报错，则基于网格模型、材料参数、求解时间对求解程序进行修正，直至求解程序正常计算，计算得到测试点加速度曲线和整机有效塑性应变云图。
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