包装优化技术对家电产品的保护

对于大型家用电器制造商来说，为了获得最佳的客户体验，家用电器的设计和制造质量是极为重要的。然而无论是洗衣机、烘干机还是冰箱和微波炉，在从仓库运输到客户手中的过程中都容易遭受跌落和冲击破损。

Mabe是一家总部设在墨西哥城有30亿美元营业额的跨国公司。该公司重视精心设计的包装对于保护其分布在70个国家15个家电品牌的重要性。Mabe想要改善其产品的包装以减少运输损坏同时也避免过度包装造成较高的材料和运输费用。通常，虽然计算机辅助工程（CAE）已经长时间用于产品设计和测试，然而产品包装开发却主要依赖于物理跌落测试。

一、企业面临挑战

Mabe希望将已经成功用于其电器开发上的CAE工具同样用于洗衣机的包装设计和优化中。对于该公司的挑战是在设计的早期，即在进行各种物理测试之前，开发一款考虑各种载荷工况的优化的包装设计。那样，包装设计将由计算机仿真驱动，努力去更快地寻找理想解决方案，并降低重复物理测试的必要性。与此同时，Mabe希望能够在将来将用于开发洗衣机的分析仿真技术转移用到其他产品的包装上，从而通过优化加速其设计工作。

二、解决方案

Mabe希望Altair产品设计咨询团队（ProductDesign）凭借其经验将优化方法应用到各种系列产品和包装中。首要任务是生成能准确代表Mabe产品和其包装结构的有限元（FEA）模型。HyperWorks的前处理解决方案，HyperMesh用来建立所有产品相关部件，以及例如由发泡聚苯乙烯、层压纸和瓦楞纸板构成的包装结构的完整有限元模型。为了保证这些包装材料仿真结果的准确性，首先需要做材料的测试和表征。这通过创建聚苯乙烯和其他材料的简化物理测试来实现，测试的结果用来修正虚拟材料的属性，从而生成更精确的仿真模型。

然后，Altair产品设计咨询团队工程师能够提出与物理测试中承受相同载荷的洗衣机和包装材料的虚拟模型。使用HyperWorks RADIOSS求解器反映九种可能的工况，包括直跌落、前跌落和后跌落、左侧和右侧冲击，以及几种角度跌落。在确认这些仿真跌落和一系列由Mabe所做的相似的物理跌落冲击具有良好的相关性之后，Altair产品设计咨询团队在每一个可导致损坏的情况中创建了一套基准仿真来确定结构性能。仿真的结果可用HyperWorks的后处理器HyperView中的“洋葱皮”功能来研究。HyperView允许一次关闭一个部件从而可以观察产品内部部件性能。有了这个功能，工程师们可以确定在每次跌落冲击测试中产品和包装之间吸收能量的多少。基准仿真的总体性能和物理测试关联的非常好。

HyperWorks OptiStruct中的拓扑优化和HyperStudy可以用来改善产品防护，缩减材料费用，减少包装重量，并且改善聚苯乙烯泡结构和瓦楞纸板的性能。

由于这些结构有不同的使用条件和功能，因此需要给每个材料创建拓扑优化模型。例如，对于聚苯乙烯泡沫结构的拓扑优化，建立一个简化的具有精确质量的产品有限元模型，产品和瓦楞箱之间的剩余空间作为设计空间。这个设计空间是指为了满足预先设定的约束和目标优化求解器用来考虑或丢弃的所有的材料。对于泡沫，目标是吸收最大的能量，这反过来将减少传递到产品上的能量。然后利用这些结果CAD中重新构建几何，然后再返回到动态仿真模型中验证。

从拓扑优化结果得到的最优角柱设计需要进一步用尺寸和形状优化来优化，尺寸和形状优化是通过调整材料厚度和截面形状来达到最优设计的一种方法。尺寸和形状优化之前和之后的角柱设计最终比较显示反力峰值减小了22%。

三、结语

“在整个设计周期中，源自于仿真的包装性能的改善是非常显著的，产品最大加速度水平减少了29%，最大应变降低了28%。”MabeCAE专家Dante Sánchez Rojas说，“九个工况中的八个反映了加速度峰值水平G减小了从3%到29%不等。”

Altair产品设计咨询团队的技术转让项目从这个项目的初始计划阶段开始贯穿在整个项目中。为了确保有效准确地使用HyperWorks，该项目允许Mabe进行介入并为Mabe提供高水平技术支持，额外的好处是在Mabe的内部增加了知识。

Mabe已经成功地从Altair产品设计咨询团队合作中得到的知识用来使用HyperWorks系列软件，并且为其变频微波炉做相似的冲击测试。通过将HyperWorks扩展应用到包装设计中，Mabe期望从缩减上市时间、较低的样机费用、较少物理测试和改善的产品防护性能中的获益。