項目介紹
對于大型家用電器制造商來說，為了獲得最佳的客戶體驗，家用電器的設(shè)計和制造質(zhì)量是極為重要的。然而無論是洗衣機、烘干機還是冰箱和微波爐，在從倉庫運輸?shù)娇蛻羰种械倪^程中都容易遭受跌落和沖擊破損。
Mabe是一個總部設(shè)在墨西哥城有30億美元營業(yè)額的跨國公司。該公司重視精心設(shè)計的包裝對于保護其在70個國家設(shè)計、制造和銷售分布的15個家電品牌的重要性。Mabe想要改善其產(chǎn)品的包裝以減少運輸損壞同時也避免過度包裝造成較高的材料和運輸費用。
計算機輔助工程(CAE)已經(jīng)長時間用于產(chǎn)品設(shè)計和測試，然而產(chǎn)品包裝開發(fā)卻主要依賴于物理跌落測試。
挑戰(zhàn)
Mabe希望將已經(jīng)成功用于其電器開發(fā)上的CAE工具同樣用于洗衣機的包裝設(shè)計和優(yōu)化中。對于該公司的挑戰(zhàn)是在設(shè)計的早期即在進行各種物理測試之前，開發(fā)一款考慮各種載荷工況的優(yōu)化的包裝設(shè)計。那樣，包裝設(shè)計將由計算機仿真驅(qū)動，努力去更快地尋找理想解決方案，并降低重復(fù)物理測試的必要性。與此同時，Mabe希望能夠在將來將用于開發(fā)洗衣機的分析仿真技術(shù)轉(zhuǎn)移用到其它產(chǎn)品的包裝上，從而通過優(yōu)化加速其設(shè)計工作。
圖1 Mabe公司辦公樓外觀
解決方案
Mabe希望Altair產(chǎn)品設(shè)計咨詢團隊(ProductDesign)憑借其經(jīng)驗將優(yōu)化方法應(yīng)用到各種系列產(chǎn)品和包裝中。首要任務(wù)是生成能準確代表Mabe產(chǎn)品和其包裝結(jié)構(gòu)的有限元（FEA）模型。
HyperWorks的前處理解決方案，HyperMesh用來建立所有產(chǎn)品相關(guān)部件，以及比如由發(fā)泡聚苯乙烯、層壓紙和瓦楞紙板構(gòu)成的包裝結(jié)構(gòu)的完整有限元模型。為了保證這些包裝材料仿真結(jié)果的準確性，首先需要做材料的測試和表征。這通過創(chuàng)建聚苯乙烯和其它材料的簡化物理測試來實現(xiàn)，測試的結(jié)果用來修正虛擬材料的屬性，從而生成更精確的仿真模型。
圖2 洗衣機有限元模型和內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)
圖3 在和仿真相關(guān)聯(lián)的測試中的產(chǎn)品破損
然后，Altair產(chǎn)品設(shè)計咨詢團隊工程師能夠提出與物理測試中承受相同載荷的洗衣機和包裝材料的虛擬模型。使用HyperWorks RADIOSS求解器的反映九種可能的工況，包括直跌落、前跌落和后跌落、左側(cè)和右側(cè)沖擊，以及幾種角度跌落。在確認這些仿真跌落和一系列由Mabe所做的相似的物理跌落沖擊具有良好的相關(guān)性之后，Altair產(chǎn)品設(shè)計咨詢團隊在每一個可導(dǎo)致?lián)p壞的情況中創(chuàng)建了一套基準仿真來確定結(jié)構(gòu)性能。仿真的結(jié)果可用HyperWorks的后處理器HyperView中的“洋蔥皮”功能來研究。HyperView允許一次關(guān)閉一個部件從而可以觀察產(chǎn)品內(nèi)部部件性能。有了這個功能，工程師們可以確定在每次跌落沖擊測試中產(chǎn)品和包裝之間吸收能量的多少。基準仿真的總體性能和物理測試關(guān)聯(lián)的非常好。
圖4 包裝布置基準
圖5 拓撲優(yōu)化結(jié)果
圖6 最優(yōu)包裝布置
HyperWorks OptiStruct中的拓撲優(yōu)化和HyperStudy可以用來改善產(chǎn)品防護，縮減材料費用，減少包裝重量，并且改善聚苯乙烯泡結(jié)構(gòu)和瓦楞紙板的性能。
由于這些結(jié)構(gòu)有不同的使用條件和功能，因此需要給每個材料創(chuàng)建拓撲優(yōu)化模型。例如，對于聚苯乙烯泡沫結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化，建立一個簡化的具有精確質(zhì)量的產(chǎn)品有限元模型，產(chǎn)品和瓦楞箱之間的剩余空間作為設(shè)計空間。這個設(shè)計空間是指為了滿足預(yù)先設(shè)定的約束和目標(biāo)優(yōu)化求解器用來考慮或丟棄的所有的材料。對于泡沫，目標(biāo)是吸收最大的能量，這反過來將減少傳遞到產(chǎn)品上的能量。然后利用這些結(jié)果CAD中重新構(gòu)建幾何，然后再返回到動態(tài)仿真模型中驗證。
從拓撲優(yōu)化結(jié)果得到的最優(yōu)角柱設(shè)計需要進一步用尺寸和形狀優(yōu)化來優(yōu)化，尺寸和形狀優(yōu)化是通過調(diào)整材料厚度和截面形狀來達到最優(yōu)設(shè)計的一種方法。
尺寸和形狀優(yōu)化之前和之后的角柱設(shè)計最終比較顯示反力峰值減小了22%。
結(jié)論
“在整個設(shè)計周期中，源自于仿真的包裝性能的改善是非常顯著的，產(chǎn)品最大加速度水平減少了29%，最大應(yīng)變降低了28%。”MabeCAE專家Dante Sánchez Rojas說，“九個工況中的八個反映了加速度峰值水平G減小了從3%到29%不等。”
Altair產(chǎn)品設(shè)計咨詢團隊的技術(shù)轉(zhuǎn)讓項目從這個項目的初始計劃階段開始貫穿在整個項目中。為了確保有效準確地使用HyperWorks，該項目允許Mabe進行介入并為Mabe提供高水平技術(shù)支持，額外的好處是在Mabe的內(nèi)部增加了知識。
Mabe已經(jīng)成功地從Altair產(chǎn)品設(shè)計咨詢團隊合作中得到的知識用來使用HyperWorks系列軟件，并且為其變頻微波爐做相似的沖擊測試。通過將HyperWorks擴展應(yīng)用到包裝設(shè)計中，Mabe期望從縮減上市時間、較低的樣機費用、較少物理測試和改善的產(chǎn)品防護性能中的獲益。
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本文標(biāo)題：包裝優(yōu)化技術(shù)改進全球分銷中對家電產(chǎn)品的保護
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