缓冲包装设计（精选十篇）
缓冲包装设计 篇1
一、设计的背景及意义
我国是农业大国, 近年来, 随着科学技术的进步和农产品产量的不断增加, 一些农作物的废弃物处理也随之成为了问题。其中, 玉米秸秆的污染和浪费就是一个典型的例子。每年我国都会产生大量的玉米秸秆, 虽然其中一部分可以用作畜牧业饲养的原料, 但大部分的秸秆都是焚烧化处理。这种就地焚化方式使得每到秋冬之交, 空气污染指数严重, 农作物秸秆也成为了众矢之的。 在当今提倡健康绿色未来的理念下, 这种做法不仅浪费资源, 更会造成环境污染。因此具有良好环境相容性的 “环保缓冲包装材料”的研制与应用已成为21世纪的必然趋势[1]。本文中所介绍的瓷具缓冲包装是用农作物秸秆粉碎物和粘接剂作为原料, 经混合、交联反应、发泡、 浇铸、烘烤定型、自然干燥等工艺后, 制成减震缓冲包装材料[2]。在材料成型包装方面, 可模仿中国古代的榫接, 以插片的形式连接, 不再使用其他胶黏剂;可模塑成型, 一体化造型;可开发研制植物纤维发泡法, 贴合瓷器造型, 结构巧妙。这些都是利于降低成型成本、运输成本、 安装成本等的方式, 是集资源型、实用性、艺术性、经济化为一体的新型缓冲包装设计, 必将具有良好的社会效益。
二、瓷具缓冲包装设计方法
瓷具缓冲包装设计方法包括陶瓷器具性能分析、市场上常见瓷具类缓冲包装对比、玉米秸秆缓冲包装的具体工艺制作流程以及同类缓冲材料性能的部分参数。最后展示了适应于不同瓷具产品的成品效果。
(一) 陶瓷器具性能分析
产品的性能主要是对设计对象进行特点分析。发现产品的性能缺点, 才能了解产品的薄弱环节。
我国是瓷具大国, 以“瓷”为主的产品可谓种类繁多、 争奇斗艳。从陶瓷的功能进行分类, 有艺术陈列类瓷具、 饮食厨卫类瓷具、化工纺织类瓷具等。所以, 不同用途的各种功能陶瓷器具, 自身的易损点和着重点都是截然不同的。就艺术陈列类瓷具分析, 它们的呈现形态大多具有个性化和现代艺术气息, 其易损点主要集中在一些张扬的艺术细节设计边缘, 包装时就该着重关注此处结构, 进行有效保护。而又如饮食厨卫类瓷具, 大多符合人体工程学设计理念, 边缘较圆润, 整体较四方统一, 包装时就该特别注重圆润处的保护, 以免磕出棱角, 影响瓷具产品的使用。
(二) 市场上常见瓷具类缓冲包装的对比
缓冲包装旨在用较低的成本包装使产品在流通运输工程中获得较完善的保护。据调查发现, 我国工业化仍处于产品生产超前产品包装的现状。瓷具的包装方式逐渐从简陋过渡到精美、从笨重发展到细致。以下是市场上常见的瓷具产品包装形式:
(1) 采用草绳或者塑料包装带等简易材料进行堆叠捆扎形式打包。打包方式较简便、成本低, 但缺点是美观性较差、产品破损率高。草绳易断裂产生绳屑, 污染环境, 缓冲性能难以预测, 已逐渐被淘汰;
(2) 利用瓦楞纸板或瓦楞纸箱作为外装物, 内里衬上泡沫塑料或者瓦楞衬垫, 对不同尺寸的产品进行固定打包。此方法为现在的主流缓冲包装方式, 绿色环保。 缺点是较浪费纸板, 包装适用范围受局限, 不能紧密贴合内装物, 发生相对移动损伤内装物;
(3) 蜂窝纸板方式, 与瓦楞纸板不同的是, 内里做成适合于产品的孔穴状形式, 对产品进行缓冲。采用蜂窝纸板材料不仅降低了包装成本, 而且有助于提升该公司的品牌和形象, 减少了“白色污染”, 为外贸企业产品出口打开了一条“绿色通道”[3]。但是由于生产自动化程度低等工艺问题没有解决, 所以尚在完善阶段。
(三) 玉米秸秆缓冲材料工艺流程
1. 原料
每年春秋月份, 是玉米成熟的主要季节。在玉米收割后, 对废弃的青 (干) 玉米秸秆进行粗挑, 去除非植物纤维性垃圾。对剩下的玉米秸秆进行暴晒, 除去大部分的植物水分, 留下较干燥的秸秆原料。
2. 粉碎
使用玉米秸秆粉碎机对秸秆原料进行一次性彻底粉碎, 秸秆的长纤维在此步骤中迅速断裂, 得到植物纤维较短的的玉米秸秆粉碎物, 堆叠以便于后期的加工。
3. 粘结剂成型
在玉米秸秆粉碎物中, 按照适当配比, 加入工业水溶性胶黏剂, 然后进行均匀地搅拌, 使得水溶性胶黏剂与秸秆粉碎物秸秆颗粒物呈现半固体状, 然后通过工业设备制成缓冲纸板或者缓冲纸盒。制成的缓冲包装就可以被用于各式各样陶瓷器具的包装。
(四) 玉米秸秆板材料分析
这种由植物纤维和淀粉胶黏剂混合的得到的缓冲纸板材料具有较好的性能参数。综合成本较低;防静电、 防腐蚀能力均大于EPS发泡材料;防震隔震能力优于纸浆模塑。相较于纸浆模塑、EPS材料, 对于陶瓷器具产品的包装适用范围更广。
三、设计特点
一款好的瓷具缓冲包装, 不仅需要具备优良的缓冲防震功能, 减少陶瓷器具在运输和交易途中受到冲撞而损坏, 更要加强环保意识, 符合人们追求简约绿色生活、 回归朴素自然的理念。所以, 我们在设计瓷具的缓冲包装时, 充分了解陶瓷在运输装卸时的脆弱性和交易时的美观性等可考虑因素, 采用大量废弃的玉米秸秆为原材料, 加以合理设计运用, 力求做到环保和包装两不误。
本次玉米秸秆瓷具缓冲包装很好的体现了缓冲包装设计的设计要素:
(一) 工艺性
包装容器、缓冲包装设计方法等方面全面论述了现代包装力学的框架体系[4]。瓷具的缓冲包装, 从早前的稻草捆扎包装发展到后来的木箱装运, 直到后来的瓦楞纸板缓冲包装, 逐步完善了对陶瓷器具的缓冲研究。在追求简洁轻便卫生的前提下, 工业科技含量大大加强。 当下的缓冲包装, 先不管其工艺构成特点如何, 适应企业工业化量产, 同时又兼顾包装在基本意义上的艺术特殊性, 成为了缓冲包装的核心组成要素。
本次设计的玉米秸秆缓冲包装采用多种方式成型:
(1) 片状组合压制插片形式:a工艺上简单明了, 简化了制作成型的步骤, 短期内即可大批量生产;b插片式设计具有结构感, 匠心独运地表现出新造型展现形式;c包装盒侧面楞向内折形成的凹槽富有曲线美, 同时兼顾了外观形态;
(2) 几何模塑成型:根据不同陶瓷器具的几何外观尺寸, 采用类似纸浆模塑的方式, 热压脱模生产, 玲珑有型;
(3) 植物纤维发泡:a生产工艺简单, 无需多次发泡和冷却;b生产同数量的包装材料, 纤维发泡比塑料发泡生产成本低廉。
(二) 功能实用性
产品在流通过程中要经过装卸、搬运、运输和储存环节, 其包装件要根据流通环境要求来设计[5]。随着现代审美艺术的逐步发展, 陶瓷越来越受国内外人们的喜爱, 陶瓷器具的流通量和流通广度在世界上是名列前茅的[6]。再者, 瓷器的种类、尺寸、形状等也越来越多, 对于瓷器包装方式的改革也呼之而出。好的缓冲包装设计不仅可以给瓷器提供安全可靠的保护方式, 在缓冲材料的选择上也不再单方面地停留于棉絮、锯末、稻草等。
以压制插片一套瓷杯为例简单介绍:
通过压制而成的秸秆板材分别进行加工处理。缓冲包装内芯采用根据瓷杯大小的薄片, 通过切口方式, 进行穿插联接;盒身周围与盒盖通过对一套瓷杯的放置尺寸测量, 在秸秆板材的内侧划痕, 方便弯折成型, 整体性强。研究表明, 玉米秸秆缓冲包装盒侧面楞向内陷, 形成凹槽, 使包装边缘更加贴合内装物, 防震缓冲性能好, 能耐多次冲击, 动态变形小, 能有效减少瓷具在运输流通途中的摩擦碰撞, 更好地固定瓷器, 满足各类动态运输变化。
(三) 经济性
包装业实施循环经济的模式, 首先要通过科学指导下的优化设计和工艺创新, 减少包装原料的使用量[7]。 因此, 缓冲材料如何在瓷具的流通过程中较好地进行抗震缓冲, 同时又能节约资源保护环境、降低材料成本, 这些是大众所关注的焦点。本次缓冲包装有如下优势:
(1) 原料选材来自大量废弃的玉米秸秆, 成本较低, 资源丰富, 取材方便;
(2) 纸板采用插片、模塑。发泡等方式成型, 无额外胶黏剂, 降低了缓冲包装的成型成本;
(3) 结构简单理想, 操作时可免去工具, 降低安装成本;
(4) 片状纸板运输时体积较小, 可节省运输空间, 节约运输费用。
压制插片法
(四) 环保性
诚然, 瓷器缓冲包装材料从一开始是为了保护陶瓷器具免受损坏而出现, 但是发展到今天, 一个越来越明显的现象出现了:人们对于瓷器包装的态度开始从单一的缓冲保护功能着眼于绿色环保性。一类对环境友好的瓷器缓冲包装成为后起之秀。本次研究设计的玉米秸秆瓷具缓冲包装的原料是植物性粗纤维和淀粉性胶黏剂, 融于环境可自然降解, 不会对环境造成污染和破坏。部分缓冲包装还可回收再生利用, 粉碎后还可二次充当缓冲充填物, 解决了秸秆最终去向的后顾之忧。
四、应用前景
随着实用设计感的理念日渐人心, 缓冲包装的外表设计更趋于艺术化, 材质结构也更加丰富。他们已不再单纯地被认为是运输途中的“护花使者”, 在陶瓷器具的销售和商品价值上, 已经开始展现自己独特的魅力。 同时, 由于缓冲包装的巧妙结合, 陶瓷器具等的脆弱包装物已然展现出运输轻巧的一面, 必将拥有良好的商业应用前景。
模塑法
五、结束语
玉米秸秆瓷具缓冲材料可以就地取材, 采用最简化的工艺方式和新技术对旧材料进行合理的改造运用, 大大降低了包装成本。与其他缓冲包装材料相比, 减少了森林资源的供需, 减少塑料制品的使用, 保护了环境, 同时, 增加了粗植纤维的综合利用性, 增加了产品的经济价值。
参考文献
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[5]彭国勋.物流运输包装设计[M].北京:印刷工业出版社, 2006.
[6]张咸镇.陶瓷运输包装浅析[J].中国包装, 1986 (02) .
缓冲包装设计 篇2
飞机起落架缓冲性能分析、试验、设计一体化技术
提出了一种飞机起落架缓冲性能分析、试验、设计一体化的工程方法.利用起落架落震试验结果,自动识别缓冲器空气压缩多变指数和油孔流量系数等不可测参数,以便建立准确的起落架数学模型;并在此基础上对缓冲器充填参数和油孔尺寸进行优化设计,使得起落架着陆最大冲击载荷达到最小.试验验证结果表明,该方法是成功且有效的.
作 者：齐丕骞 牟让科 Qi Piqian Mu Rangke 作者单位：飞机强度研究所,西安,710065刊 名：航空学报 ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA年，卷(期)：“”(3)分类号：V215.2关键词：起落架 缓冲器 参数识别 优化设计
汽车挡风玻璃的缓冲包装设计 篇3
【关键词】玻璃 包装 缓冲 设计 结构 损坏
引言
汽车工业经过一百多年的发展，我国汽车工业也取得了快速发展，特别是小轿车进入千家万户，成为代步工具以来，汽车的产量和销售量突飞猛进[1]。
随着我国汽车保有量的迅速增长，衍生出一个庞大的汽车服务市场，汽车服务市场的利润相当可观。根据汽车发达国家的经验，汽车服务市场的利润可占整个汽车产业利润的60%-70%。在汽车服务市场中，售后配件业务占据汽车厂商10%的收入和30%的利润，占据经销商12%的收入和48%的利润。在整车利润空间受到挤压的情况下，汽车售后配件将成为汽车产业链上的一个新的利润增长点。
汽车零件的销售与配售需要包装提供可靠的支撑，零件在运输过程中能否保证不受损坏，并确保较高的完好率是至关重要的，也是关键所在。目前在汽车零件的运输过程中屡屡出现损坏现象，不但造成一定的经济损失，并影响了汽车的及时维修进程，给维修部门和用户均带来不便[2]。
汽车挡风玻璃作为易损件，包装稍有不慎，在装卸和运输搬运过程中极易受到损坏，造成破损和碎裂。现实中这种现象屡屡发生。
为确保汽车挡风玻璃在搬运过程中尽可能不受损坏，提高完好率，采用缓冲包装设计原理对汽车挡风玻璃包装进行止损设计，取得了较好的效果。本文概述了设计情况及结果。
1 汽车挡风玻璃包装现状
目前，汽车挡风玻璃的包装大多数采用集合包装形式，即采用金属料架或木质框架箱，玻璃间和底面加衬垫，四周采用薄膜包裹。
但由于一般采用的衬垫较薄弱、结构欠合理、无分隔、缓冲不足，导致玻璃配件直接与金属或木质框架接触，且玻璃与玻璃之间互相挤压、剐蹭、碰撞，极易造成玻璃配件的损坏。图1是某单位在运输过程中损坏的部分玻璃包装现状。
2 挡风玻璃的缓冲包装设计
2.1 总体方案
鉴于玻璃易碎的特点，及运输过程中的损坏情况，进行了针对性保护设计方案，采用最具保护性质的缓冲包装设计方案[3]。缓冲包装的目的是在运输、装卸过程中发生振动、冲击等外力时，保护被包装产品的性能和形态。
按照国家标准GB/T 8166《缓冲包装设计方法》的规定，缓冲包装设计应符合下列要求：第一，保护产品的性能和形态；第二，减小传递到产品上的冲击、振动等外力或分散作用在产品上的应力；第三，防止产品之间的相互摩擦或撞击；第四，防止产品在包装容器内移动；第五，保护其它防护包装的功能。
按照以上原则，前、后挡风玻璃配件供货包装形式采用多件/木质框架箱+EVA及橡胶衬垫。
本设计总体采用了立式包装，使玻璃立置于箱中，四周用带有特殊支架间隔型衬垫分隔。并增加了木制托盘（顶板满铺）。
2.2 包装材料的选择
对材料的要求是，能够承受物流及仓储过程中较长时间玻璃边缘的剪切而不产生断裂，以及充足的蠕变空间以使配件始终不与外包装框架接触[4]。
外包装材质采用实木或金属料架，以保证外包装整体坚固、不变形、不歪斜、不晃动，材料无断裂、无翘曲。
缓冲衬垫材质采用韧性较好的EVA（低发泡率、高密度）或橡胶。橡胶弹性变形量有限，对玻璃的固定作用较好，在装卸和运输过程中不易出现玻璃互相触碰、挤压和磨擦而使玻璃造成损伤，起到良好的保护作用。在玻璃与包装箱之间采用低发泡率、高密度的EVA材料作为缓冲过渡层，以防止玻璃與外包装直接接触。
2.3 结构设计
玻璃包装的基本要求是：玻璃配件本身不与外包装框架发生直接接触，配件与包装框架之间必须以缓冲材料过渡，玻璃配件的边缘不允许从任何角度突出外包装框架的轮廓。
结构采用2+2+1+1共6处（上2、下2、左1、右1）衬垫的分布形式，以保证配件在任何一方向上的自由度被完全限制，起到强制固定的作用。设计结构示意图见图2。
间隔型衬垫刻有固定间隔的凹槽、整根无拼接、背面以整块木板支撑其结构及与玻璃的固定方式见图3。这样固定后，玻璃在装卸和运输过程中就不会出现移位，及玻璃互相触碰、挤压和磨擦而使玻璃造成损坏[5]。
3 结果检验
包装材料均选用了符合国家标准或相关行业标准的材料，包括固定间隔的凹槽的弹性变形量小的橡胶、低发泡率、作为缓冲过渡层高密度的EVA材料及外包装金属料架或木质框架箱。
对包装整体进行了跌落试验和振动试验，结果证明外包装完好，玻璃未发现破损。
采用经缓冲包装设计包装的玻璃，多批次供货，并经受了复杂条件下长途运输的考验，未发生外包装破损及玻璃损坏现象，达到了预期的效果。
结果证明应用这些材料后，有效地保护了玻璃在运输搬运过程中不受损坏，未出现玻璃损坏现象，得到了用户的充分认可。
以上设计有效降低了操作难度，提升了包装效率，节约了人工成本；同时最大限度避免了操作过程中的随意性和不确定性，有效避免了运输过程中出现破损可能性。
结语
缓冲包装设计用于汽车挡风玻璃的包装，在结构上采用了2+2+1+1共6处（上2、下2、左1、右1）衬垫的分布形式，在选材上缓冲衬垫材质采用韧性较好的EVA（低发泡率、高密度），间隔型衬垫采用了弹性变形量较小的橡胶，有效避免了运输过程中出现破损可能性。
经过近一年的现场使用，并经受了出口过程中复杂条件下长途运输的考验，在历次发运后收货方的货损反馈中，未出现外包装损坏，及玻璃破碎，说明缓冲包装设计用于汽车挡风玻璃的包装取得了良好的效果。
参考文献
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[4]刘喜生.包装材料学[M].吉林：吉林大学出版社，2004.
机载电子设备的缓冲包装设计 篇4
针对设备开展的缓冲包装设计, 应结合设备的特点[3], 如: 设备外部有电连接器和安装支点等突出物;设备根据其在飞机安装的位置不同, 其能够承受的最大加速度 (脆值) 不同;设备多为不规则外形, 外壳经常设计有加强筋等斜面等。缓冲包装设计从以下几个方面进行介绍。
1缓冲包装方法的选择
缓冲包装设计方法有全面缓冲、局部缓冲、悬浮式全面缓冲等三种。在选择缓冲包装设计方法时, 因为设备外表面不是规则面, 所以无法选择全面缓冲包装法, 因为设备可以承受一定的加速度, 基于成本考虑, 不需要采用悬浮式缓冲包装法, 所以, 通常设备采用局部缓冲包装。下面以某设备进行局部缓冲包装设计为例, 介绍缓冲包装的设计。
2缓冲包装设计步骤
2.1一般步骤
缓冲包装设计按以下步骤执行:A.确定所有有关的因素, 它们包括产品的特性、重量、脆值、尺寸及其他特点 (如凸起部分或非支承表面等) 、产品的数量、预计的运输环境条件 (尤其是跌落高度、包装容器冲击部位、大气条件以及运输方式等) ;B.确定防护产品的最经济的缓冲包装材料及方法;C.计算或估算需要用来补偿蠕变的缓冲衬垫的厚度余量;
2.2基本参数的确定
在开展缓冲设计时, 需确定以下参数:A.产品特性:包括产品的长、宽、高的外形尺寸 (A×B×C) , 重量 (W) ;B.脆值:产品的脆值是机载电子设备在破坏和发生功能失效前在任何方向所能承受的最大加速度。目前民机机载设备产品约为20G, 军机机载设备产品约为40G;C.跌落高度 (H) :按照HB5871.1规定, 设备类产品的包装件流通条件为Ⅰ级 (运输距离远、转运次数多, 可能遇到粗暴的装卸作业) 。按照HB5871.4规定, 包装件流通条件为Ⅰ级, 重量小于25KG时, 其跌落高度为900mm。
2.3缓冲包装材料的选择
目前GJB/Z 85缓冲包装设计手册中, 常用的缓冲材料有聚氨酯、聚乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、气泡薄膜等几种。其中聚乙烯泡沫具有密度低、重量轻、隔热、防水和良好的缓冲性能等优点, 考虑到采购渠道和使用经验方面, 本文推荐选用聚乙烯泡沫作为缓冲包装材料。该种材料可以针对设备有突出物的特点, 在包装时及时对相应区域进行裁剪修改, 方便操作。
2.4缓冲包装材料的厚度
2.4.1计算方法
确定缓冲材料的厚度按照以下情况进行计算:
对于已经确定了缓冲材料和产品的接触面积A的情况下, 需确定厚度, 按以下公式进行计算:
a) 由公式 σm=WG/A求出最大应力;
b) 找出缓冲系数C- 最大静应力 σm曲线中对应最大应力值的缓冲系数C;
c) 根据公式T=CH/G, 求出缓冲材料的最小厚度T。
2.4.2示例
某设备, 如图1所示, 其重量为15KG, 外形尺寸为320mm ×256.3mm×194mm, 其脆值为40G, 要保证从90CM的高处跌落而不破损, 缓冲材料选用密度为0.037g/cm3的聚乙烯泡沫, 计算产品上下接触面的缓冲材料所需最小厚度。
由于上下接触面是产品的外表面全面缓冲, 所以已知了接触面积A, 则按照计算方法中的第一种方法进行计算即可。
a) 由公式 σm=WG/A求出最大应力:
b) 找出缓冲系数C- 最大静应力 σm曲线中对应最大应力值的缓冲系数C;从缓冲材料C-σm曲线, 密度为0.037g/cm3的聚乙烯泡沫对应的 σm=0.7×105pa时, 缓冲系数C=5.2。
c) 根据公式T=CH/G, 求出缓冲材料的最小厚度T。
由此可以计算出, 上下接触面的最小厚度为11.7cm。
3结语
我国机载电子设备的运输包装由于一些条件所限, 缓冲包装设计经验还不够成熟, 设计人员往往是冗余设计或盲目设计, 导致缓冲包装没有起到应有的作用, 缓冲包装设计作为设备运输包装的重要部分, 只要设计人员充分认识缓冲包装设计的重要性, 以标准为依据, 合理选取设计防护材料, 积极积累经验, 才能使设备的运输包装真正满足包装、装卸、运输等要求。
摘要：通过对缓冲包装设计理论进行研究, 针对机载电子设备越来越精密、集成度越来越高的特点, 提出适合于机载电子设备缓冲包装的方法, 并按照局部缓冲包装法对某机载电子设备的缓冲包装进行设计。
关键词：机载电子设备,缓冲包装,运输包装
参考文献
[1]朱兰琴, 杨文芳, 李雨.某机载电子设备机架隔振缓冲系统设计[J].振动与冲击, 2015, 34 (11) :183-187.
[2]生建友.谈军用电子设备的包装[J].包装工程, 2013, 34 (011) :121-125.
压力缓冲技术研究 篇5
压力缓冲技术研究
摘要：高压问题在工业企业中是常见问题,它非常重要,因为它极大的影响到相关人员的安全问题.压力缓冲技术是关于压力变化规律的科学,它能够指导我们处理高压工作和出现的`相关问题.压力缓冲技术在工业企业中具有举足轻重的作用.本文以常见的压力缓冲方法为对象,从数学的角度深入分析了压力缓冲的实现原理,从本质上对压力缓冲技术进行了研究.对于压力缓冲设备的设计、选择和操作等各个环节都有一定的指导意义.本文还针对生产实际提出了一些建议,能够在压力缓冲和相关问题处理中有所帮助.作 者：张衍奎 赵岩 单国强 ZHANG Yan-kui ZHAO Yan SHAN Guo-qing 作者单位：张衍奎,单国强,ZHANG Yan-kui,SHAN Guo-qing(黑龙江省石油机械质检站,大庆,163312)赵岩,ZHAO Yan(大庆油田装备制造集团抽油机制造公司,大庆,163311)
期 刊：中国安全生产科学技术 ISTICPKU Journal：JOURNAL OF SAFETY SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007, 3(3) 分类号：X933.4 关键词：压力缓冲 工业安全 高压缓冲包装设计 篇6
ARCEL？是制成ARCEL？发泡塑料的发泡母粒，由努发化工（国际）有限公司（NOVA Chemicals）生产，是一种高性能的发泡树脂。努发化工是阿布扎比国际石油投资公司（IPIC）的全资公司，也是北美主要的烯烃、聚烯烃以及苯乙烯聚合物的制造商之一，年产约600万吨化学品和180万吨聚合物。2006年，ARCEL？开始于中国宁波投产。
结构决定性能
ARCEL？是利用特殊聚合工艺生产的一种“互聚物”，主要成分为聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE），ARCEL？粒子拥有独特的结构：PS主要分布在粒子的内部，对泡粒结构起良好的支撑作用；PE组分主要分布在粒子的外层，可促进颗粒之间的塑化和结合。所谓结构决定性能，ARCEL？的独特结构使之最大程度地结合了PE和PS的物理特性，既囊括了PS的尺寸稳定性、较高的压缩强度、加工的便利性、较好的吸能性及隔热性，又拥有PE良好的回弹性、耐溶剂性、耐磨性、减震性及较高的挠曲强度。
ARCEL？与PS发泡所用到的成型设备和加工工艺一样简单、经济，且两者完全通用，能耗低、生产周期短、成型后无需烘房复原。使用者可根据自身的要求调节发泡塑料的密度（一般在16～100kg/m3）。
比较中再现优势
ARCEL？发泡塑料与其他缓冲包装材料相比，性能方面有哪些优势？
与EPS相比，ARCEL？发泡塑料更加坚固、耐久且有韧性，比如在强度方面，ARCEL？发泡塑料需要近2倍的力才能撕裂及戳穿、需要超过4倍的扭力才能折断。实现相同的缓冲性能时，其比EPS所用的材料更少且包装体积更小，此外，它不会像EPS容易出现掉渣的现象。
与EPP相比，在同样的测试环境中，首次跌落时，ARCEL？发泡塑料具有更小的冲击加速度。此外，尤其在泡沫密度较低时，其比EPP拥有更高的抗压强度。ARCEL？发泡塑料的压缩蠕变性也远低于EPP，此特性可使其以较低的泡沫密度长时间支撑较重的物品而不致于发生显著的永久形变。由于ARCEL？发泡塑料的成型可以在EPS生产设备上完成，因此设备投入远低于EPP。
和EPE相比，ARCEL？发泡塑料具有更出色的抗压强度及抗压缩蠕变特性，更适合包装较重的物品，而包装较重的物品时，需要的ARCEL？发泡塑料密度可比EPE更低、所需缓冲面积更小，从而降低了材料的使用量。此外，其模压成型制成的泡沫衬垫比手工制作的EPE衬垫具有更好的品质一致性。对于某些特定的用途，EPE有时需要纸护角或者纸板支撑，ARCEL？泡沫衬垫则不需要。
目前在包装领域，ARCEL？发泡塑料广泛用于激光打印机、服务器、平板电视、复印机、家用电器等缓冲包装中，并获得了来自戴尔、三星、松下、柯达、惠普等知名公司的认可和采用。
表1所示为EPS衬垫与ARCEL？发泡塑料衬垫在惠普激光打印机缓冲包装中的应用比较。必须说明的是，达到相同的衬垫防护功能时，虽然仅就泡沫衬垫的成本来说，ARCEL？泡沫衬垫高于EPS衬垫2倍多，但综合考虑纸箱、衬垫、运输的总成本，ARCEL？泡沫衬垫可实现4.7%的成本节约。最重要的是它还降低了对环境的影响，如当运输相同数量的打印机时，将EPS衬垫换成ARCEL？发泡衬垫后，综合考虑纸箱、衬垫整个生命周期以及海运、内陆运输过程中的二氧化碳排放量，总体可下降6.5%。
缓冲包装设计 篇7
1 脆值的概念与发展
涉及到产品与包装设计的其中一个重要概念, 即脆值。脆值泛指产品的耐冲击能力, 即产品不产生功能损伤或功能失效所能承受的冲击极限。只有全面了解了脆值定义, 在实际设计中对脆值在方向性上具备的差异合理应对, 才能设计出合格的产品和包装设计。
在家电行业中, 产品不发生物理损伤或功能失效所能承受的重力加速度和最大加速度的比值, 即称为G值, 用G来表示, 目前在家电行业中广泛使用。但是, 产品的耐冲击能力不是单一受到峰值加速度影响, 冲击波形、持续时间等元素也会对产品的耐冲击力变化产生影响。随着包装设计系统的发展, 破损边界的概念更多的应用到了包装设计中, 从多种元素量变化突破了设计人员对旧有包装设计的认识, 意识到保证产品安全上采用的矩形脉冲估算方法相对传统, 无法全面解决各个因素对产品产生的冲击, 若想解决上述问题, 必须找到预测产品破损的方法, 才能有效降低产品损失[1]。
2 脆值的确定及提高产品脆值的方法
经验估算法、试验测定法都可作为脆值的确定方法, 其中试验测定法是属于比较精确的方法, 但相对其精确度对来说, 试验成本也很高, 因为这种方法必须具备侧录仪器和试验设备才可以。但是由于脆值试验所具备的破坏特性, 对于单价很高, 并且更新换代很快的电视机产品来说并不合适。
通过相关数据的研究显示, 在结构失效问题上, 局部裂纹、表面摩擦损伤等外壳问题占据了主要影响因素, 还有由结构失效引起的液晶屏和显像管破损、移位等, 因此, 在设计产品和包装时要仔细分析液晶屏、外壳和包装三者之间的受力关系, 在提高产品脆值的同时, 寻求到产品设计和包装设计之间成本的平衡[2]。
3 缓冲包装的力学模型及对包装设计的启示
变形过程中产生的能量损耗是泡沫塑料缓冲机理, 一般包括 (1) 由基体变形产生的能量损耗; (2) 基体单元间摩擦产生的能量损耗; (3) 开孔泡沫塑料中流体的粘性流动产生的能量损耗; (4) 闭孔结构中气体的不可逆压缩产生的能量损耗。因此, 在设计缓冲包装时, 要想缓冲效果越好, 所选取的缓冲材料单位体积吸收能量就要越大。我们可以用C代表缓冲系数, Q代表作用于缓冲材料上的应力, E代表单位体积缓冲材料所吸收的能量, 用公式来表示, 即:C=Q/E, 从这个公式我们可以看出, 当缓冲材料单位体积吸收的能量越多, 则缓冲系数越小。
在电视机设计中, 难以界定易损件。但在理论上我们可以得出这样的结论, 产品主体设计和包装设计之间存在着密不可分的内在联系, 对于能够有效减低冲击响应幅值的阻尼问题, 我们要从理论上和实践上都提高认识, 从而降低易损件对外界的冲击影响。
4 缓冲包装设计的传统方法及有限元数值模拟的应用
发泡聚苯乙烯 (EPS) 作为目前家电行业中使用最广泛的缓冲材料, 对其静态和动态特性研究已经非常成熟。缓冲包装设计的基本方法是缓冲系数-最大应力曲线 (C-m) 法与最大加速度-静应力曲线 (G-s) 法。阐述了产品设计与缓冲包装之间的关系, 对于包装设计具有指导意义。
目前, 作为辅助产品和包装设计的一个重要工具, 越来越广泛的应用有限元仿真软件, 对产品进行仿真跌落分析, 从而达到优化产品设计和包装设计的目的。
在产品和包装设计完成后, 运用数值模拟的方法提前对产品的包装和产品的设计进行了解, 有效优化产品和包装设计。有限元仿真软件对于跌落时产品和包装的各个位置的应力和变形, 及指定位置的加速度曲线, 这些我们评价设计的关键指标都能计算出来。
当然, 实际的试验结果和模拟结果无论使用哪种有限元软件都会有些出入, 其原因是很多方面的:比如有限元模型中理论材料参数和产品外壳和包装的真实材料参数之间存在的差异, 选取的电视机不同计算部位, 结构件之间的联结和接触的处理方法, 以及阻尼值的考虑等多种因素。在实验中, 因为试验设备和人为操作的元素, 有限元仿真模拟的处理是按照理想跌落方向进行的, 而试验中对缓冲包装件跌落方向却不能与模拟完全保证一致, 这就导致了试验结果出现了一定的误差。同时, 影响试验结果差异的因素还包括试验环境、跌落情况等。因此, 模拟数值结果在实际设计中, 只能作为参考来使用, 不能成为根本设计标准。
近年来, 国内外在数值模拟方面提出了机电产品稳健设计优化概念的最新成果, 对设计人员具有积极启示意义。一套适合自己公司的产品设计系统的建立, 需要结构设计人员将设计经验和数值模拟有效统一结合, 通过不断的设计、模拟与试验产生的产品结晶[3]。
5 结束语
结构设计和包装设计在实际的电视机产品设计过程中, 其关系非常密切。产品的脆值是产品结构设计中一个非常重要的因素, 因此, 在产品设计中要重点关注, 从而打好缓冲包装设计的基础。同时, 为了产品在运输安全和包装设计的经济性上得到保证, 对缓冲材料的特性能够更充分的利用, 就要了解缓冲材料的基本特性和缓冲包装的力学模型。同时有效利用有限元数值模拟软件, 争取达到缩短设计周期、降低成本、优化设计的目的。
参考文献
[1]申刚.电视机产品设计和缓冲包装设计关系探讨[J].广西轻工业, 2011, 5 (03) 15-26.
[2]张聚杰.包装衬垫疲劳强度与疲劳缓冲性能的研究[D].江南大学, 2010, 6 (02) 35-56.
飞机起落架缓冲器设计 篇8
起落架是飞机着陆、滑行、停放的承力装置,能够消耗和吸收飞机在着陆时的撞击能量。缓冲器是起落架上的最重要的构件,起落架可以没有轮胎、机轮、刹车、防滑装置、收放系统或转弯机构,但绝对不能没有缓冲器,因此,缓冲器是起落架的核心部分,缓冲器设计的好坏,直接影响起落架在飞机着陆滑行过程中能量消耗和吸收。
本文根据设计输入信息,给出了方案阶段起落架的各项参数,并采用缓冲性能分析软件ALTLAS对其进行了分析,实现了缓冲效率为82%的缓冲性能要求,过载仅为1.67。
2 缓冲参数估算
对于缓冲器的影响其性能的主要参数有:过载系数、活塞杆行程、飞机下沉速度以及缓冲器的形式。在方案设计阶段,根据主机所给定的基本初始数据以及笔者多年的设计经验初步给定了过载和下沉速度,飞机的最大起飞重量和起落架的站位尺寸,由此可得出起落架在飞机重心后限下的停机载荷。该型号主起落架拟采用单腔油气缓冲器结构,有柱塞但不设油针,如图1所示。
由文献[1]知,在缓冲器和机轮轮胎协同工作吸收飞机着陆滑行的能量时,假定轮胎效率为0.47,停机载荷下轮胎变形量为0.01m,缓冲器效率为80%,建立能量平衡方程。
其中,St——N倍停机载荷下轮胎变形;
S——机轮垂直行程;
ns,nt——缓冲器、轮胎效率;
N——过载;
G,L——飞机重力,机翼升力;
V——飞机下沉速度。
将设计输入信息代入方程(1),得出主起落架缓冲器行程为S=290mm(估算行程)。
2.1 确定压缩比
压缩比为缓冲支柱在一点的压力与在另一点出的压力比值。一般考虑停机状态/全伸展状态和全压缩状态/停机状态。由于该型号飞机属于小飞机系,因此,依据文献[2],压缩比定义为:
停机状态/全伸展状态=2.1/1;
全压缩状态/停机状态=1.9/1。
2.2 计算全伸展、停机以及全压缩状态的静载
根据确定的压缩比对三种状态下的载荷进行计算,其中停机载荷通过飞机最大起飞重量、起落架的前三点式布局、前主轮距以及飞机前后重心计算得到。通过计算,三种状态下的静载分别为:
全伸展载荷:P1=P2/2.1=18057N;
停机载荷:P2=37920N;
全压缩载荷:P3=P2×1.9=72048N。
2.3 充填压力和全压缩压力计算
对比国内外小飞机的缓冲器设计,拟定主起活塞直径,求出活塞面积为:
停机压力:p2=P2/A=5.5MPa;
全伸展状态的充填压力:p1=P2/2.1=2.6MPa;
全压缩状态压力:p3=P2×1.9=11.6MPa。
2.4 气体压缩量、各阶段状态的气体容积计算
气体体积减少量:V=SA≈1999550mm3;
由气体状态方程p1V1=p3V3得:
2.5 静压曲线的绘制
起落架装配后,应进行静压试验,用以验证气体初始容积、油液体积的合理性。现根据公式绘制理论曲线作为产品装配后静压试验的调参依据。
依据气体状态方程p1V1=piVi,可得到缓冲器行程为Si时的静态载荷:
缓冲器行程从0算起,每30mm对应一个静载,直到行程290mm,根据公式(2)计算出每次压缩行程后的对应载荷,绘制曲线,如图2所示。
3 缓冲性能计算
主起落架结构形式为单轮支柱式结构,如图3所示。在飞机着陆重量下能够承受3.0m/s的下沉速度撞击;在最大总重条件下能够承受2.5m/s的下沉速度撞击。
缓冲性能计算软件ALTLAS是对起落架在落震实验的动力仿真模拟,模拟飞机着陆撞击的吸收能量。通过起落架撞击模拟来验证设计参数、结构可靠性是否达到要求,为飞机起落架的设计提供机理分析数据。
应用ALTLAS软件,在飞机着陆重量、着陆迎角、飞机着陆瞬时接地下沉速度、失速速度、机翼产生的气动力已知情况下,求得软件计算所需的各项参数:弹簧支撑质量、缓冲器下部质量、支柱初始长度、全伸展状态活塞杆和外筒重叠长度、轮胎静压曲线、机轮的数量、半径和转动惯量等。
另外,依据文献[3]中的计算公式,对计算所需的诸如空气压缩多变指数定为1.1,油液密度为ρ=860kg/m3,摩擦系数定为0.05,正反行程的油液流量系数定为0.8。方案阶段给出了几组正、反行程油孔直径尺寸,分别对正、反行程几组孔径尺寸进行了性能计算,通过软件模拟,得出功量曲线最为饱满,缓冲效率较高的一组数据,分别为:正行程油孔Φ14.0mm,反行程油孔12-Φ2.0mm。功量曲线、油孔垂直载荷—时间曲线如图4、图5所示。
从图4可以看出,缓冲器功量曲线合理,设计合理;但从图5中看出,曲线左端峰值为油液压力峰值,右端峰值为气体压力峰值,油峰略高于气峰,从飞机着陆起转载荷角度考虑,当起落架起转时,起落架垂向载荷应尽可能小。而图5中,在起落架起转时,油液压力已经达到了最高值。此时应该有所侧重,在需要尽可能小的过载、高的缓冲效率时,对常油孔缓冲器而言,其起转阶段垂向载荷势必达到最大值。
4 结论
首先根据主机所提供的设计输入信息,通过各种计算公式,建立了缓冲器模型的各类参数,绘制出该型号主起落架的静压曲线。
其次,运用软件ALTLAS,对缓冲器进行缓冲性能计算模拟,得出缓冲器的油孔垂直载荷—时间曲线和缓冲器功量曲线。从图4可以看出,缓冲器功量曲线饱满,缓冲效率高达82%,缓冲器行程为248.9mm,同时过载仅为1.67,完全满足主机所的要求。尽管图5中的曲线不利于飞机起落架的起转工况,但从过载和高效率层面考虑是可取的。
参考文献
[1]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册14[M].北京:航空工业出版社,1998.
[2][美]诺曼斯柯里.飞机起落架设计原理和实践[M].北京:航空工业出版社,1990.
液压油缸缓冲装置设计的探讨 篇9
在当前液压支架液压油缸中, 最为常用的缓冲装置是通过缓冲柱塞及节流阀来确保固定节流的实现。主要以缓冲阀、节流口、单向进油口、端盖、单向阀、缓冲腔、缓冲柱塞、活塞等八个部分为主。在液压油缸工作过程中, 缓冲活塞进入到缓冲腔中, 这时缓冲腔内的油液针流入到节流口内, 然后排入, 从而在腔内形成一定的缓冲压力, 有效的确保了活塞运动速度的降低, 确保了缓冲目的的实现。
2 常用的缓冲结构
2.1 采用固定节流方式的缓冲结构
设定在理想状态下, 不对油液的不可压缩性和粘性阻尼进行考虑, 来对固定节流方式的缓冲装置进行数学建模, 可以发现, 当液压油缸在加压力和负载共同作用下时, 活动速度较高, 而当浸入到缓冲装置时, 缓冲会产生较大的负的加速度, 在缓冲腔中形成较大的压力, 所以对于固定节流方式的缓冲结构在低速及轻载的简单油缸内具有较好的适用性。当对缓冲缝隙宽度进行增大时, 可以降低腔内的压力峰值和缓冲负加速度, 从而增大缓冲形式, 有利于缓冲时间的延长。所以为了能够有效的确保固定节流方式缓冲结构的不足之处, 在对缓冲结构进行调剂地, 可以将节流面积设计为较大值, 这样在缓冲进行过程中, 缓冲结构的节流面积会逐渐减少, 从而使腔内的压力平缓进行过渡, 保持腔内的压力的平稳性。这样固定节流缓冲结构活塞在运动时则会平稳的进行减速。这就需要在设计时要渐变节流缓冲结构, 从而达到节流面积随缓冲的进行而改变。
2.2 采用渐变节流方式的缓冲结构
渐变节流方式的缓冲结构主要有四种形式, 即梯形节流、抛物线形节流、锥形节流和笛形节流, 通过利用汽渐变节流方式的缓冲结构可以有效的降低加速度, 减小缓冲冲击力, 对于提高缓冲的效果具有非常重要的作用。
当采用阶梯形节流缓冲结构时, 由于这种结构制动时间比较短, 当柱塞进入到缓冲孔后, 其活塞的速度则会快速降低, 而且在缓冲过程中, 柱塞和缓冲孔的缝隙则会变小, 从而缓冲速度和压力也会减小。但这种结构往往在缓冲开始时具有较大的压力, 导致活塞受到较大的冲击, 所以阶梯形节流缓冲结构在一些速度较低而且需要承受较大冲击的简单工况上具有较好的适用性。
抛物线节流结构由于其可以在工况要求较高的条件下进行适用, 在结构加工上具有复杂性, 所以在设计时需要重视参数的设置, 从而确保能够得到较为平稳的缓冲压力。
液压油缸圆锥缓冲节流装置上有非常广泛的应用, 其内部的柱塞和缓冲孔之间的间隙随着缓冲形成的进行而渐变的, 具有非常好的压力峰值, 特别是当柱塞浸入到缓冲孔内部时, 则会产生较大的压力峰值, 然后压力峰值会快速降低。
在一些振动要求小及活塞速度要求较高的工况中适用于笛形缓冲结构, 由于在笛形缓冲结构内部设有阻尼孔, 而且当缓冲行程增加时, 缓冲孔也会随之减少, 流通面积变小, 这种结构无论是减速度还是缓冲压力都较为理解, 但在结构加工过程中对精度具有较高的要求。
3 缓冲装置的优化设计
3.1 缓冲装置进行模型化设计
液压油缸缓冲装置可以采用节流式缓冲装置模型, 是一种可调节的缓冲装置。这种缓冲装置的设计原理为:缓冲塞在外力的作用下, 进入缓冲腔内, 使得腔内的油液流入节流口, 然后流出。其中, 缓冲装置中的活塞端通常是由缓冲柱塞构成的, 上面设有缓冲内孔, 当柱塞进入到内孔后, 缸盖将会在节流阀的位置排出, 给活塞的运动带来了一定的阻力, 减慢了活塞的运动速度。通过改变节流口的开度, 可以控制活塞的缓冲程度, 单向进油口与单向阀相连, 控制活塞的向右运动, 此外, 还设有一个在高压力的限制阀, 保证缓冲腔内的压力不能超过额定压力值。
3.2 控制距离及速度
在优化设计液压油缸缓冲装置的控制距离及速度时, 首先, 假设所有的运动部件都是质点, 形成一个研究的质点系, 将以下物理量设置为已知量:制动前活塞的运动速度、进油腔有效面积、活塞直径、所受到的压力、缓冲柱塞直径和缓冲腔有效接受面积, 制动前活塞会受到重力、摩擦力和负载力。一般情况下, 缓冲装置中运动部件受到较大的作用力, 为了简化问题, 可以将重力、摩擦力和负载力设为总的负载力。在分析缓冲柱塞在某个位置的距离与速度时, 可以利用动能微分方程计算出总的负载力的大小。
3.3 最小缓冲容量设计
在液压油缸设计过程中, 当其缓冲装置的缓冲形成越大时, 则其所能达到的缓冲效果则会越好。在实际设计时, 则会将柱塞的缓冲形成设为一个固定值, 这样在对缓冲腔的面积增大时, 则会有效的提升缓冲效果。这就需要在设计过程中, 需要对液压油缸缓冲装置的缓冲腔面积和柱塞的直径进行合理设计, 从而确保达到最佳的缓冲效果。液压油缸缓冲容量的设计需要考虑的因素较多, 需要通过对工况质量的具体情况进行计算后, 来对柱塞的长度和缓冲腔的面积进行确定, 并进一步确保达到最佳的缓冲效果。
结语
液压支架中液压油缸缓冲装置的应用, 不仅可以有效的降低冲击过程中给油缸带来的不良影响, 而且能够延长油缸的使用寿命。目前较为常用的液压油缸缓冲结构分别为固定节流方式的缓冲结构和渐变节流方式的缓冲结构, 无论在哪种缓冲装置结构进行设计时, 都需要对设计进行优化, 采用模型化设计, 从而达到有效的控制距离和速度, 确保缓冲容量的合理性, 从而达到最佳的缓冲效果, 这对油缸工作性能及液压支架作用的有效发挥都具有极为重要的意义。
参考文献
[1]周伟杰.浅谈液压油缸缓冲装置的设计[J].黑龙江科学, 2013 (10) :43.
[2]刘传让.挖掘机液压油缸缓冲装置的设计方法与分析[J].安徽科技, 2011 (04) :44-45.
某商用车橡胶缓冲块优化设计 篇10
双横臂独立悬架结构作为一种非常成熟的设计, 由于其结构简单, 制造成本低, 便于布置安装等特点, 广泛应用于各种商用汽车上。橡胶缓冲块一般安装在下横臂上, 主要起到限制轮胎跳动上限的作用, 同时也具有一定的缓冲减振效果。由于橡胶缓冲块的形状设计不合理, 材质选择不正确等因素, 会造成在实际使用过程中出现损坏的情况。其中影响橡胶缓冲块寿命的主要因素包括橡胶材质和设计形状。橡胶材质主要有天然橡胶 (NR) 、丁苯橡胶 (SBR) 和聚氨酯 (PUR) , 其中, 天然橡胶价格最低, 性能最差;聚氨酯橡胶价格最高, 耐磨性、耐臭氧性和缓冲效果最好;丁苯橡胶在价格和性能上介于两者之间。所以从保证使用功能与节约成本的角度, 本文橡胶材质选定为丁苯橡胶。橡胶缓冲块的加工形状也是多种多样, 主要根据工作环境的不同, 受力方向和大小不同, 设计不同的形状, 常见的有圆锥形、椭圆形和正方体等形状。
Hyper Works是由Altair公司设计研发的一款有限元仿真软件, Opti Struct模块能够提供高效的优化设计分析, 可以完成尺寸优化, 形状优化和拓扑优化, 为汽车零部件的设计开发提供理论依据, 得到十分广泛的应用。
1 Opti Struct拓扑优化简介
拓扑优化是现今使用最为频繁、使用效率非常高的设计优化手段。所谓拓扑优化, 又称作结构布局优化[1], 是结合模型实际受力和约束情况, 通过模块操作对模型施加载荷和约束, 并设定优化目标, 从而寻求结构最优的优化方案。目前结构优化主要应用在航空、航天、汽车、机械、土木、水利、桥梁、铁路等诸多领域, 帮助解决了结构设计优化、消除应力集中、提高机械性能和使用寿命等很多问题。
拓扑优化设计流程主要包括:三维数模的建立, Hypermesh前处理, 设定设计区域、目标函数以及约束条件, 并通过Opti Struct中的求解器进行叠加运算, 最终得到优化结果文件。目前比较常用的优化方法有:变密度法、均匀法和逐渐结构优化等, 其中变密度法应用最为广泛, 变密度法的基本思想是将连续结构体离散为有限元模型, 同时以各个单元的密度作为设计变量, 假定在密度值为[0, 1]的范围内密度可变材料, 将模型的结构优化问题转变为单元材料的最优分布问题[2]。拓扑优化的设计流程如图1所示。
2 有限元建模
2.1 原设计结构分析
某商用车下横臂上橡胶缓冲块的结构为正方体设计, 材料为丁苯橡胶。根据其受力情况, 为防止应力分布不均出现应力集中现象, 该缓冲块上部设计采用倾斜结构, 从而保证橡胶缓冲块与车架挡板接触完全。但该设计方案存在结构过于笨重、使用材料过多等缺点, 这样不但造成材料浪费, 影响整车成本, 同时违反汽车轻量化原则。橡胶缓冲块三维数模如图2所示。
对原有橡胶缓冲块通过Hyper Mesh软件进行有限元建模分析。首先使用UG软件建立橡胶缓冲块三维数模, 保证橡胶缓冲块形状规则, 结构合理。三维数模建立后, 导入Hypermesh软件中, 进行网格划分, 并根据实际安装和受力情况施加约束和外力。由于模型形状规则, 结构简单, 采用四面体网格进行划分, 对计算结果精度不会产生影响, 有限元模型网格数是59 972。约束模型下端6个自由度, 根据橡胶缓冲块的台架试验要求, 并考虑橡胶缓冲块实际受到的冲击载荷情况, 在模型上表面通过刚性RBE2连接施加载荷F=12 000 N。观察应力云图和应变云图可知, 应变是由受力面向下逐渐减小, 且主要变形集中在受力面上, 符合橡胶缓冲块的实际变形情况。同时, 由实际使用情况和应力云图可知, 应力主要集中在橡胶缓冲块的中间受力部位, 所以原设计存在可以优化的空间。原设计应力云图和应变云图如图3所示。
2.2 橡胶缓冲块拓扑优化分析
本文采用变密度法进行拓扑优化分析, 通过Opti Struct模块设定优化目标Objective为体积最小, 并设定了响应、约束和设计变量。通过求解器叠加运算, 完成拓扑优化分析[3]。拓扑优化有限元模型如图4所示。
2.3 拓扑优化结果分析
通过观察拓扑优化结果可以看出, 材料的红色区域为非设计区域, 该区域原则上必须存在。蓝色区域为设计区域, 可以根据设计者实际情况进行利用, 但是并不意味着蓝色区域均可直接删除。拓扑优化是概念设计阶段的一种优化方法, 为设计人员提供一种设计思路, 拓扑优化结果为橡胶缓冲块的结构改进提供了理论支撑和方向。在实际的结构优化中, 要考虑到模具开发情况、零件的加工情况和工艺安排情况, 进行合理设计。拓扑优化结果如图5所示。
3 橡胶缓冲块结构改进
通过拓扑优化结果可以知道, 主要承受载荷的部分为红色区域, 也就是主要集中在缓冲块上部中心位置, 以及下部大部分区域, 同时侧面局部区域也承受载荷。根据这种优化设计思路, 对橡胶缓冲块模型重新进行结构设计。综合考虑加工和生产工艺需求, 应用UG软件重新设计缓冲块结构[4]。最终优化后模型如图6所示。
对优化后的橡胶缓冲块模型进行有限元分析, 通过观察应力云图和应变云图, 优化后的模型完全符合理论设计要求和实际加工要求。优化后的橡胶缓冲块样件完成了30万次的台架疲劳试验以及整车道路测试, 试验结果均满足使用要求。优化后模型应变云图和应力云图如图7所示。
4 结论
通过对橡胶缓冲块模型的拓扑优化分析, 得出分析结论。参考优化结果, 重新设计橡胶缓冲块结构, 并对新结构进行有限元分析和试验验证, 验证结果表明, 新状态的缓冲块完全满足使用要求。
通过对橡胶缓冲块结构的优化, 不但改进了设计, 提高橡胶缓冲块的使用寿命, 优化了结构, 同时还有效地实现了减轻重量的目的。通过对比可知, 原状态的缓冲块质量为0.171 kg, 新状态的缓冲块质量为0.158 kg, 单个缓冲块减重0.013 kg, 整车实现减重0.026 kg, 由于橡胶缓冲块质量的减少, 加工生产成本相应降低, 考虑到该车型整个生产和销售周期, 实现了整车成本的下降, 提高了利润。
参考文献
[1]梁江波, 吕景春.基于Hyper Works发动机支架的拓扑优化设计[J].重型汽车, 2009 (3) :16-17, 39.
[2]张胜兰, 郑冬黎, 郝琪, 等.基于Hyperworks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.
[3]吴中博, 李书.基于Optistruct的结构静力拓扑优化设计[J].航空计算技术, 2006 (3) :16-17.
