CN115270560A - 一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，包括如下步骤：S1：确定瓦楞纸板等效弹性力学参数；S2：验证等效板各向异性弹性力学参数是否准确，验证通过则进入S3，否则重新回到S1，直到等效板各向异性弹性力学参数通过验证；S3：建立纸箱几何模型，将纸箱分解为上、下、左、右、前、后六个面，每个面都采用壳单元建模，并设置拓扑共享；S4：分别对纸箱的每个面赋予与之对应的材料属性；S5：采用四边形划分纸箱网格模型，并完成纸箱与其他PART的接触设置，设置边界条件和载荷，以及求解设置。采用力学试验与理论公式相结合的方式，解决了因纸箱建模误差而导致包装件跌落仿真计算结果不够准确可靠的问题。

Description

一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法

技术领域

本发明涉及跌落仿真分析技术领域，具体涉及一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法。

背景技术

目前，产品结构包装件跌落仿真技术应用较广且认可度较高，相较于包装件跌落试验，其节省了试验成本并缩短了试验周期，有效提升了产品结构设计和包装结构设计的工作效率。但是仿真方法作为一种计算方法，其计算结果的准确性和真实性跟仿真输入数据有很大关系，输入数据越准确仿真计算结果越接近真实状态，其分析结果才更能反映实际情况。

瓦楞纸箱作为一种重要的缓冲包装结构，在包装件的跌落仿真分析中，纸箱的数据输入也影响着仿真计算结果的准确性和真实性。由于瓦楞纸箱实际结构包含了面纸和瓦楞夹芯，按实际几何形状建模工作量太大，因此一般将瓦楞纸板简化为等效均质板，因而等效板的材料参数选取至关重要。

等效板的两种常见本构模型和力学参数选取方法如下：

1)将等效板视为各向同性材料，选取理想弹塑性或双线性弹塑性本构模型描述其力学变形行为；

2)将等效板视为各向异性材料，本构模型为各向异性弹性本构，查阅文献并根据等效公式计算各个弹性参数。

上述两个常用方法其实存在一些不足，首先，瓦楞纸板因其结构的特殊性实际上表现为各向异性力学性能，且跌落试验的跌落工况通常包括六面三棱一角，跌落位置不同纸板力学性能不同，采用各向同性材料本构来描述瓦楞纸板的力学变形行为肯定是不对的。

其次，采用方法2计算出的等效板弹性参数通常大于试验值，主要原因是瓦楞纸板生产过程会存在一些缺陷，这些缺陷使纸板的可靠性受到影响，而等效公式计算出的参数值并未考虑这些因素影响，因而等效参数大于试验值。若仿真分析时使用这些等效力学参数，可能导致纸箱刚度偏大，跌落过程中变形偏小，从而吸能能力偏小，影响仿真计算结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法。以期解决背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，包括如下步骤：

S1：确定瓦楞纸板等效弹性力学参数；

S2：验证等效板各向异性弹性力学参数是否准确，验证通过则进入S3，否则重新回到S1，直到等效板各向异性弹性力学参数通过验证；

S3：建立纸箱几何模型，将纸箱分解为上、下、左、右、前、后六个面，每个面都采用壳单元建模，并设置拓扑共享；

S4：分别对纸箱的每个面赋予与之对应的材料属性；

S5：采用四边形划分纸箱网格模型，并完成纸箱与其他PART的接触设置，设置边界条件和载荷，以及求解设置。

在一些实施例中，所述S1：确定瓦楞纸板等效弹性力学参数；包括：准备瓦楞纸板试样，测定瓦楞纸板试样厚度和质量，对瓦楞纸板试样分别进行平压试验、边压试验和侧压试验，根据载荷-位移曲线计算等效板的弹性模量，并查阅文献计算等效板的泊松比和剪切模量。

在一些实施例中，所述S1中瓦楞纸板试样包括3组：平压试验试样，边压试验试样及侧压试验试样，每组试样至少10个，并在试验前测定瓦楞纸板的厚度和质量。

在一些实施例中，所述S1中测定瓦楞纸板厚度方法是在每个纸板上随机选取5个点测量纸板厚度，然后对5个厚度值取平均，最后对10个纸板的厚度值再求平均数，取该值为纸板厚度，且假设等效板厚度与纸板厚度相同；测定纸板密度方法是分别对10个试样进行称重并取平均值，用质量除以纸板体积得到纸板的密度值。

在一些实施例中，所述S1中瓦楞纸板平压试验、边压试验和侧压试验均在万能试验机上进行，试验结束后得到载荷-位移曲线，代入试样的截面尺寸分别计算出瓦楞纸板的3个弹性模量，并根据弹性模量、泊松比及剪切模量间的数值关系，结合相关文献资料，计算得到瓦楞纸板的泊松比和剪切模量，上述数值即为瓦楞纸板等效板的9个弹性力学参数。

在一些实施例中，所述S2：验证等效板各向异性弹性力学参数是否准确，包括：首先对瓦楞纸箱进行抗压强度试验，试验完成后观察纸箱变形情况，并得到上压盘的载荷-位移曲线，然后采用有限元方法模拟纸箱抗压强度试验过程，纸箱本构模型采用各向异性弹性本构，仿真计算得到纸箱的变形云图和压盘的载荷-位移曲线，对比仿真计算结果与试验结果，若二者吻合较好则说明本构模型及弹性力学参数选取合理，后续包装件跌落仿真分析中可采用该套材料本构及参数，若验证未通过，则还需回到S1步重新调整材料参数，直至验证通过。

在一些实施例中，所述S3：建立纸箱几何模型；首先将包装纸箱分解为上、下、左、右、前、后六个面，并分别采用壳单元建型，然后将纸箱六个面装配为一个整体，并设置拓扑共享。

在一些实施例中，所述S4：分别对纸箱的每个面赋予与之对应的材料属性；包括在纸箱上创建局部坐标系，然后设置六个面在局部坐标系下的各向异性弹性力学参数，再将材料卡片赋给各个面。

在一些实施例中，所述S5中采用四边形单元划分纸箱网格，在面与面连接位置实现共节点。

在一些实施例中，所述S5中包装件跌落有限元模型中纸箱相关设置还包括了接触、初始条件、边界条件、载荷以及求解控制参数等设置。

有益效果

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明提供了一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，该方法中纸箱材料力学参数主要来源于力学试验，且通过模拟纸箱抗压试验过程也验证了该套本构模型和参数的准确性，同时也描述了纸箱几何模型建模方法和赋材料属性方法。纸箱有限元模型的准确建立能有效提高包装件跌落仿真分析的计算准确性，有利于产品结构和包装结构的跌落强度分析和结构优化设计。

附图说明

图1瓦楞纸板有限元建模流程图。

图2瓦楞纸箱抗压试验结果与仿真试验结果对比。

图3包装件棱跌落时瓦楞纸箱局部坐标系示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

以下将结合图1-3对本申请实施例所涉及的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法进行详细说明。值得注意的是，以下实施例仅仅用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，包括以下步骤：

S1：准备瓦楞纸板试样，测定纸板厚度和质量，对瓦楞纸板试样分别进行平压试验、边压试验和侧压试验，根据载荷-位移曲线计算瓦楞纸板的弹性模量，并查阅文献计算纸板的泊松比和剪切模量；

首先准备3组BC型双瓦楞纸板试样，试样尺寸和数量如下所示：

1)切取试样尺寸为(100±0.5)mm×(100±0.5)mm，试样个数至少10个，作为平压试验试样；

2)切取瓦楞方向为短边的矩形试样，其尺寸为(100±0.5)mm×(25±0.5)mm，试样个数至少10个，作为边压试验试样；

3)切取瓦楞方向为长边的矩形试样，其尺寸为(100±0.5)mm×(25±0.5)mm，试样个数至少10个，作为侧压试验试样；

后续测定瓦楞纸板厚度和质量时可直接采用上述试样。

选取上述第2组试样来测定瓦楞纸板的厚度，首先采用电子游标卡尺测量纸板上任意5个点处的厚度值，取5个厚度值的平均数为相应纸板的厚度，然后对10个纸板试样的厚度求平均数，取该平均值为纸板厚度，且假设等效板厚度与纸板厚度相同；

选取上述第1组试样来测定瓦楞纸板密度，采用电子分析天平(精度为0.1mg)分别对10个试样进行称重并取平均值，用质量除以纸板体积得到纸板的密度；

进一步的，对瓦楞纸板进行平压试验、边压试验和侧压试验，试验均在万能试验机上进行，压缩速度为(12.5±2.5)mm/min，试验结束后得到载荷-位移曲线。将上述载荷-位移曲线转化为工程应力-应变曲线，其中工程应力值为载荷除以瓦楞纸板受压面面积，根据弹性模量定义取工程应力-工程应变曲线的线弹性段斜率为弹性模量，再由弹性模量、泊松比及剪切模量间的关系式，并结合相关文献资料，由经验公式计算得到瓦楞纸板的泊松比和剪切模量，计算公式如下所示：

μ_yz＝μ_xz＝0.01；

至此瓦楞纸板等效板的9个各向异性弹性力学参数已全部得到。

S2：验证纸板各向异性弹性力学参数是否准确，首先准备瓦楞纸箱试样，在纸箱抗压试验机上进行抗压试验，加载速度取10mm/min，试验结束后记录压板的载荷-位移曲线以及纸箱变形状态。接着采用有限元方法模拟瓦楞纸箱抗压强度试验过程，仿真软件为ANSYSLS_DYNA模块，纸箱采用均质等效板建模，纸箱本构模型选取各向异性弹性本构模型，材料力学参数参考步骤S1中的力学参数取值，仿真计算结束后提取压盘的载荷-位移曲线以及瓦楞纸箱的变形云图，将仿真计算结果与试验结果进行对比，若仿真结果与试验结果吻合较好，则表明等效板材料本构和材料参数选取合理，否则重新回到步骤S1调整材料参数，直到仿真计算结果与试验结果吻合较好。

图2所示为仿真计算结果与试验结果对比情况，由载荷-位移曲线可知，纸箱所能承受的最大载荷仿真值与试验值接近，而最大压溃力所对应的位移值差异较大的主要原因是由于纸箱抗压试验开始阶段压盘与纸箱并未完全接触，导致试验的位移值大于仿真位移值。根据上述对比分析可认为仿真计算结果与试验结果较接近。

S3：采用前处理软件SpaceClaim建立瓦楞纸箱的几何模型用于包装件跌落仿真分析，由于瓦楞纸板表现为各向异性材料力学性能，且纸箱各个面的瓦楞方向也不同，因此需要对每个面分别赋材料属性。将纸箱分解为上下、左右、前后六个面，每个面都采用壳单元建模，并设置其厚度，建模完成后将六个PART装配在一起，并修改属性设置为拓扑共享，此操作主要目的是在划分网格时使面与面之间共节点。

S4：此步骤为对纸箱赋予材料属性，由于纸箱上下两纸板瓦楞方向相同，左右纸板瓦楞方向相同，前后两个纸板的瓦楞方向也相同，首先在瓦楞纸箱上建立3个局部坐标系，如图3所示，局部坐标系1的X轴和Y轴分别垂直和平行于纸箱前后纸板的瓦楞方向，同理，局部坐标系2的X轴和Y轴分别垂直和平行于左右侧纸板的瓦楞方向，局部坐标系3的X轴和Y轴分别垂直和平行于纸箱上下纸板的瓦楞方向。对纸箱六个面分别建立材料卡片，选取各向异性弹性本构模型，由于纸箱六个面均有对应的局部坐标系，故在局部坐标系下分别输入材料力学参数，再将材料卡片赋给对应的PART。

S5：在ANSYS LS_DYNA模块中建立包装件跌落有限元模型，由于本发明重点提出纸箱的有限元建模方法，因此对于包装件其他组件不做详细描述。首先采用四边形单元划分纸箱网格。然后设置纸箱与包装衬垫、产品以及刚性面的摩擦接触，摩擦系数取为0.2。接着对纸箱及其他包装件组件施加初始速度和重力加速度，刚性面施加固定约束，本实施案例中包装件跌落高度取H＝600mm，故初始速度为v＝3430.44mm/s。最后设置求解控制参数，求解时间为0.04s，打开质量缩放系数开关，并修改输出设置。

由此，通过瓦楞纸板压缩力学试验方法确定了等效板弹性力学参数，并与纸箱抗压试验结果对比验证了该本构模型和材料参数的正确性，同时在建立纸箱几何模型时考虑了各个面的力学性能差异。通过本发明方法建立纸箱的有限元模型，使纸箱的跌落力学状态更接近实际，从而有效提高包装件跌落仿真分析的计算准确性，有利于产品结构和包装结构的跌落强度分析和结构设计优化。

该专利主要针对包装件跌落仿真分析时瓦楞纸箱的有限元建模方法，而目前包装件跌落仿真分析时常忽略纸箱建模误差对仿真计算结果的影响。该专利方法本质是结合力学试验方法使等效板的材料参数更加准确。与现有等效板有限元建模方法相比，该专利通过纸板压缩力学试验计算得到等效板弹性力学参数，并通过模拟纸箱抗压试验得到了验证，在建立纸箱几何模型时充分考虑了纸板各向异性力学性能，从而将纸箱分解为六个面进行建模并分别赋材料属性，使得包装件跌落仿真计算时纸箱的性能更加准确真实。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：确定瓦楞纸板等效弹性力学参数；

S2：验证等效板各向异性弹性力学参数是否准确，验证通过则进入S3，否则重新回到S1，直到等效板各向异性弹性力学参数通过验证；

S3：建立纸箱几何模型，将纸箱分解为上、下、左、右、前、后六个面，每个面都采用壳单元建模，并设置拓扑共享；

S4：分别对纸箱的每个面赋予与之对应的材料属性；

S5：采用四边形划分纸箱网格模型，并完成纸箱与其他PART的接触设置，设置边界条件和载荷，以及求解设置。

2.根据权力要求1所述的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，所述S1：确定瓦楞纸板等效弹性力学参数；包括：准备瓦楞纸板试样，测定瓦楞纸板试样厚度和质量，对瓦楞纸板试样分别进行平压试验、边压试验和侧压试验，根据载荷-位移曲线计算等效板的弹性模量，并查阅文献计算等效板的泊松比和剪切模量。

3.根据权力要求2所述的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，所述S1中瓦楞纸板试样包括3组：平压试验试样，边压试验试样及侧压试验试样，每组试样至少10个，并在试验前测定瓦楞纸板的厚度和质量。

4.根据权力要求2所述的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，所述S1中测定瓦楞纸板厚度方法是在每个纸板上随机选取5个点测量纸板厚度，然后对5个厚度值取平均，最后对10个纸板的厚度值再求平均数，取该值为纸板厚度，且假设等效板厚度与纸板厚度相同；测定纸板密度方法是分别对10个试样进行称重并取平均值，用质量除以纸板体积得到纸板的密度值。

5.根据权力要求2所述的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，所述S1中瓦楞纸板平压试验、边压试验和侧压试验均在万能试验机上进行，试验结束后得到载荷-位移曲线，代入试样的截面尺寸分别计算出瓦楞纸板的3个弹性模量，并根据弹性模量、泊松比及剪切模量间的数值关系，结合相关文献资料，计算得到瓦楞纸板的泊松比和剪切模量，上述数值即为瓦楞纸板等效板的9个弹性力学参数。

6.根据权力要求1所述的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，所述S2：验证等效板各向异性弹性力学参数是否准确，包括：首先对瓦楞纸箱进行抗压强度试验，试验完成后观察纸箱变形情况，并得到上压盘的载荷-位移曲线，然后采用有限元方法模拟纸箱抗压强度试验过程，纸箱本构模型采用各向异性弹性本构，仿真计算得到纸箱的变形云图和压盘的载荷-位移曲线，对比仿真计算结果与试验结果，若二者吻合较好则说明本构模型及弹性力学参数选取合理，后续包装件跌落仿真分析中可采用该套材料本构及参数，若验证未通过，则还需回到S1步重新调整材料参数，直至验证通过。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，所述S3：建立纸箱几何模型；首先将包装纸箱分解为上、下、左、右、前、后六个面，并分别采用壳单元建型，然后将纸箱六个面装配为一个整体，并设置拓扑共享。

8.根据权力要求1所述的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，所述S4：分别对纸箱的每个面赋予与之对应的材料属性；包括在纸箱上创建局部坐标系，然后设置六个面在局部坐标系下的各向异性弹性力学参数，再将材料卡片赋给各个面。

9.根据权力要求1所述的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，所述S5中采用四边形单元划分纸箱网格，在面与面连接位置实现共节点。

10.根据权力要求1所述的一种用于模拟包装件跌落的瓦楞纸箱有限元建模方法，其特征在于，所述S5中包装件跌落有限元模型中纸箱相关设置还包括了接触、初始条件、边界条件、载荷以及求解控制参数等设置。

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