来宾机械设备网

当前位置: 首页 >> 机械设备厂家

产品结构及其包装的优化设计方法上

2021年07月29日 来宾机械设备网

产品结构及其包装的优化设计方法(上)

[摘要] 开发新产品时有必要根据包装的需要设计结构,并综合考虑其包装设计。即合理选择原材料及结构,提高产品自身强度,减少缓冲材料使用量;简化产品的包装结构设计,减少包装对环境污染,降低包装成本。这是一个多目标,有复杂约束条件的问题,难于用常规优化技术求解。文中通过实例说明产品结构及其包装的实用优化设计方法。

关键词:产品结构;缓冲材料;优化设计

中国分类号:TB472;TB482  文献标识码:B  文章编号:1001-3563(2003)05-0004-02

The Optimal Design Method of Product Configuration and its Package PENG Yan-ping

(Dalian lnstitute of Light industry,Dalian ll6034,China)

Abstract:It is necessary to design product configuration fulfilling the requirements of packaging:choosing appropriate material and configuration for the product,elevating its strength and reducing buffer material;simplifying its package,relieving it of environment pollution,and cutting down package expend-iture.This is a multi-objective problem with complex constraints.It is hard to be solved via conventional optimization technique.This paper describes its practical optimal design method,illustrated with exam.

Key words:product configuration;Buffer material;Optimal design

我国包装产业在过去的二十几年中,得到了迅猛的发展,已成为世界上包装大国之一[1]。随着入世冲击和绿色包装浪潮的到来,针对包装容器的可重复利用、减少包装对环境污染及降低包装成本的要求,各产品生产企业及包装企业,都在进行新型包装设计方法的探索,不断采用新的包装材料,努力改变包装落后的现状。但由于各方面的原因,我国目前的包装产业还存在着许多问题,相对还有落后的一面。开发新的缓冲材料,减少缓冲材料的使用量,从而降低包装成本,减少由于包装带来的环境污染,是摆在我国包装行业面前的一大课题。产品生产企业对产品的结构进行优化设计,进而对其包装也进行优化设计,减少包装中缓冲材料的使用量应该是有效的方法之一。

产品结构及其包装的优化设计是一个多目标,有复杂约束条件的问题,难于用常规优化技术求解。可以首先假设每个目标是独立的,确定它的约束条件,初步求解设计变量,然后对所有目标进行综合考虑确定每个设计变量的值,反复修正,完成整体设计。如:根据某个目标的设计变量x1、x2…xn,构造一个目标函数F(x),并确定限制设计变量取值的约束条件g(xi)≥0(i=1,2,…,m),问题就变为:

求解设计变量:x1、x2…xn

极小化目标函数,即求Min F(x)

满足约束条件g(xi)≥0(i=1,2,…,m)

文中通过实例说明产品结构及其包装的优化设计过程和方法。

1  产品结构的优化设计

在设计生产某种产品时,人们往往只注意产品使用功能的设计,而对产品的包装问题相对考虑的较少。为了减少缓冲材料的使用量,降低包装成本,减少包装带来的环境污染,在设计产品结构的同时必须考虑产品的包装设计问题。如何选择该产品的原材料及设计结构,才能够简化产品的包装结构设计、降低包装成本、目标是实现无缓冲材料包装,或尽可能地减少缓冲材料的使用量。下面以电视机为例,说明如何进行产品的结构优化设计及优化设计的内容。

电视机的外壳起着对各种电器元件的支撑和保护作用。在设计电视机时,它的外壳的结构设计,不仅要考虑正常使用时它对各种电器元件的支撑和保护作用,同时也要考虑在运输过程中,外壳的强度、抗跌落、耐冲击等性能。要在不增加塑料原材料用量的同时,提高外壳强度、抗冲击及跌落强度。提高了产品本身的强度就可以减尘包装中缓冲材料的使用量,那么怎样进行产品的结构优化设计呢?主要采取的方法是:在设计产品的塑料外壳时采用三次元CAD,模具设计CAD、CAE等进行结构优化设计,对产品的外壳进行注射流动性分析,应力分析以及模具冷却状况分析,并利用非线形分析软件进行结构分析。为了防止产品外壳在跌落后产生应力集中和翘曲变形等,要增设筋板和凸台、优化壁厚,使外壳在受冲击时应力分布均匀。外壳的壁厚并不是任何部位都相等的,与发生跌落或冲击时的应力分布相对应来确定各部位的壁厚以及力口强筋的分布和形状,在不增加材料使用量的基础上,谋求提高产品外壳强度的设计方法。

由于塑料外壳的壁厚不等,冷却速度不同,可能造成局部有缺陷或翘曲变形等,应对使用塑料原材料的流动性以及冷却后的应力状态进行分析。上述各步大部分可由计算机分析计算软件完成。通过软件重点解决各种壳体的受力分析、结构优化、最轻重量设计等,一般是作承受几种独立载荷影响情况下的设计。如在日本广泛使用的设计软件是非线形变化结构分析软件(PC/LSDYNA3D)。

图1是电视机壳体部分结构设计情况。利用有限元法,壳体被理想化为一组三角形薄膜元素,其中,每个元素都认为是等应变状态,相应凸棱只受轴向载荷。单个薄膜元素的厚度和单个凸棱元素的断面积规定是均匀的,用直接刚度(位移)法分析理想化结构,平衡方程用整块松弛法迭代求解。由于在两次分析之间设计参数的变化通常是较小的,所以,这种迭代法在优化问题中常被证明是很有效的。在结构优化研究中[2]应用有限元理想化时,设计变量的数量很容易变得很多,因而只采用有限数量元件(位置)的厚度代替壳体的厚度分布,程序用线性内插法自动地求出其它一些元件(位置)的厚度。这样可以减少运算工作量,而对优化设计不产生实质性的影响。

(未完待续)

声明:

本文来源于网络版权归原作者所有,仅供大家共同分享学习,如作者认为涉及侵权,请与我们联系,我们核实后立即删除。