智能坐便器整体缓冲包装仿真研究

材料之一，但其夹层结构的力学特性分析又是一个比较困难的课题，三维建模时会非常繁琐，设置材料属性和有限元分析也会出现各种问题。本文选择建立其等效数学模型以方便建模。多步均匀法容易实现，又可获得较高的精度，具有较好的实用价值，又根据抗弯刚度相等求得等效高度[10-13]。

七层瓦楞纸板是由三层芯纸和四层面纸组成，最开始出现就是为了取代木箱作为重型商品的外包装，降低成本。根据GB/T 6544-2008和GB/T451.3-2002，采用游标卡尺测厚度，由上海申韩量具有限公司生产，精度为0.02mm。确定智能坐便器使用的是CCB型七层瓦楞纸板，C型瓦楞芯纸厚度0.26mm，楞高3.5mm，展开系数1.5；B型瓦楞芯纸厚度0.26mm，楞高2.5mm，展开系数1.38；外面纸厚0.3mm；里纸厚0.16mm；总厚度为11.20mm。利用多步平均法，将数据代入以上公式，最终得瓦楞纸板参数得七层瓦楞纸板等效参数，如表1所示。

3 缓冲材料静态压缩试验

缓冲材料的缓冲特性是模拟包装状态下缓冲材料受力情况的力学基础[14]，根据GB/T 8168-2008“包装用缓冲材料静态压缩试验方法”。

（1）选取由上海苏粤包装材料有限公司生产两种不同密度的EPE，尺寸：200mm×200mm，厚度为25mm，每种样品的数量为10个。

（2）由上海实验仪器厂生产的302A型调温调湿箱对样件进行24小时以上预处理，温度：23℃，相对湿度：65%。

（3）采用长春小型试验机厂生产的ZYD-2型电子式压缩试验仪，对试样进行静态压缩试验，设定压缩速度12mm/min。得到负载-位移曲线，利用MATLAB对数据进行处理，得到应力-应变曲线，如图1所示。

去掉最大值和最小值对整体的影响后对各样件密度和弹性模量取平均值，得到高密度EPE材料的密度为27.821kg/m3，弹性模量为0.265MPa，低密度EPE材料的密度为19.085kg/m3，弹性模量为0.172MPa，泊松比取0.3。

4 有限元分析

4.1 模型建立

Creo2.0作为世界上主流的三维建模软件之一，它的建模功能非常强大。按照实际尺寸对商品、缓冲衬垫和外包装箱进行建模装配，通过ANSYS workbench和Creo2.0的接口导入，进行有限元模型的建立。设置材料属性，产品陶瓷部分密度为2180kg/m3，弹性模量为130.24GPa，常温下断裂极限为260.48MPa，泊松比0.499；产品PP部分密度为920kg/m3，弹性模量为255.06MPa，屈服极限为30.52MPa，泊松比0.34；EPE属性如上文，塑性阶段选择Multilinear Isotropic Hardening；瓦楞纸板密度为119.66kg/m3。设置有限元模型的接触，设定缓冲衬垫和商品和纸箱为摩擦接触，摩擦因数0.2，非对称行为，接触方程为一般拉格朗日法。在划分网格时一般根据模型形状和材料属性不同，选择不同的划分方式，本文选择自动划分网格，对不同的部件选择不同的网格尺寸。

4.2 非线性结构分析

非线性分析中，一切因素都随时间不断变化的，这就使得刚度不变的假设无法成立，而是在变形过程中不断发生改变的。在求解迭代时，刚度矩阵须根据非线性解算器的进展随时更新[12]。非线性行为来源可分为三大类型：接触非线性、几何非线性和材料非线性。已知产品中61.9Kg，3层堆码，添加固定约束、重力加速度和力载荷，将载荷子步起始设置为100，减少时间步，如图2和图3所示。

从结果来看，上衬垫变形量较大为3.3mm，应该加大上衬垫的受力面积，为马桶盖提供更好的防护。下衬垫承受较大应力，而上衬垫的边角受力较大，所以在设计时应加大这些地方的强度，而有些地方的受力却不大，可以对其进行轻量化优化。智能坐便器最大变形量发生在马桶盖，12mm的变形量已经使其与马桶圈发生挤压，所以整个包装件的最大应力出现在马桶圈为42.842MPa，大于PP的屈服极限30.52MPa，发生塑性变形。将EPE衬垫材料改成高密度后，得到的结果优于低密度EPE，但同样出现以上问题。

4.3 模态分析

在运输途中商品产生破坏的主要原因就是发生共振[16]，模态分析又是其他动力学分析的前置要求，所以本文将模态扩展为20阶。公路运输车辆正常行驶行频率一般在25Hz以内，包装件发生共振的频率段集中发生在2Hz-3Hz和15Hz左右，如表2所示。从结果看，1阶模态马桶盖发生共振，2到4阶模态时智能坐便器整体发生共振，5阶模态时包装箱发生共振，6到10阶模态时马桶盖发生共振，11到14阶模态时是包装箱体发生共振，15阶模态时马桶盖和马桶端盖发生共振，这时共振频率已经超过30Hz，所以在设计优化缓冲包装时一定要避开运输途中的共振频率。

结语

利用多步均匀法有效简化多层瓦楞纸板建模，计算多层瓦楞纸板等效模量，利用ANSYS workbench对智能坐便器整体缓冲包装进行非线性结构元分析和模态分析，通过仿真结果找到缓冲枕垫的不足之处，并对缓冲枕垫的优化，为大型陶瓷产品整体缓冲包装有限元仿真提供一种可行的方法。

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