空气净化器缓冲包装跌落仿真分析及优化

常 江，孙鹏达

（哈尔滨商业大学，哈尔滨 150028）

0 引言

2020年初，“新型冠状病毒肺炎”的爆发更加促使了空气净化器类产品需求量的激增。空气净化器以及空气净化方案在各大媒体平台引来了极大的关注度，A.O.史密斯、莱克、海尔、美的、格力等品牌向武汉火神山医院、雷神山医院、方舱医院捐赠多批空气净化器，新风系统空气净化器和新风设备在许多医院里已经投入使用。疫情期间，在商家与各大销售平台的不断宣传下，空气净化器和新风系统的话题逐渐成为各个社交平台的热搜内容，使得本就受到大众青睐的空气净化行业更加“热闹”起来［1-4］。空气净化器作为常见的中小型智能电器，由马达、风扇、智能监控系统、负离子发生器与高压电路等多个精密系统所构成，在运输中易发生磕碰损坏的情况，这就对空气净化器的包装防护提出极高的要求。目前常见的空气净化器的缓冲包装主要以聚苯乙烯泡沫与聚乙烯泡沫材料为主。聚苯乙烯作为缓冲材料具有机械强度好，缓冲性能优异等优点，同时加工性好，易于模塑成型，价格低廉，极大地压缩了生产成本［5-7］。但由于发泡聚苯乙烯难以回收利用，随意丢弃易产生白色污染，并随着空气净化器需求量的激增，短时间内会造成大量的资源浪费。在绿色包装理念的支撑下，运用环保材料以及创新结构设计新形式的缓冲衬垫，在满足基本防护要求的前提下，对环境友好无污染且降低包装成本，已经成为了急待解决的问题［8-10］。

1 空气净化器产品特性

1.1 产品的技术参数

设计选用研究对象为华为智选空气净化器，其具体参数和外观图如表1和图1所示。

表1 空气净化器设计参数Tab.1 Design parameters of air purifier

图1 空气净化器产品外观图Fig.1 Appearance of air purifier

1.2 产品易损部件分析

华为智选720全效空气净化器主要由底座、风道系统、支撑外壳、风扇、智能监控系统、负离子发生器、滤芯与电机所构成。其中智能监控系统与电机为空气净化器的核心零件。在运输过程中，如果受到较大程度的冲击或震动，容易造成电机与智能监控系统的异常，从而造成空气净化器的损坏或失效［11］。在运输包装的设计中，运输包装行业通常是把设计经验值作为原型包装设计的参考，根据文献结果，确定空气净化器的脆值Gm=80 g。

2 空气净化器的缓冲包装设计

2.1 空气净化器缓冲衬垫的用量计算

2.1.1 承载面积计算

缓冲衬垫材料选用瓦楞纸板，根据资料查AB型瓦楞纸板缓冲系数-应力曲线得材料的缓冲系数：σm=1.75×105Pa时，缓冲系数最小为C=1.5，承受跌落的承载面积A：

式中A——缓冲衬垫的负载面积，m2；

W——被包装产品的质量，kg；

Gm——产品所承受的最大加速度值，g；

σm——缓冲材料的最大应力，Pa。

代入式（1）可得

通过产品的结构分析，产品本身受力面积大于衬垫面积，所以决定采用局部缓冲结构，节约缓冲材料。

2.1.2 缓冲衬垫的蠕变量校核

缓冲材料选用了AB双层瓦楞纸板，故衬垫厚度为T=6 mm。

蠕变量校核的计算公式：

式中TC——缓冲衬垫修正后的厚度，m；

Cr——蠕变系数，%；

T——缓冲衬垫修正前的厚度，m。

本设计Cr=10%，T=6 mm，代入式（2）可得：

TC=0.006×（1+10%）=0.006 6 m

2.1.3 缓冲衬垫结构的设计计算

根据内装产品尺寸L1×B1×H1=260×260×520 mm，缓冲距离：σL=55 mm，σB=55 mm，σH=28 mm，可以得到缓冲衬垫的基本尺寸：

L=L1+2T+2σL=382 mm

B=B1+2T+2σB=382 mm

H=2T+2σH=40 mm

2.1.4 缓冲衬垫的挠度校核

缓冲衬垫设计后，需要进行基本的经验公式计算，确定设计的衬垫的基本尺寸是否满足基本安全程度。通常要进行挠度校核来测试衬垫是否满足基本要求。

稳定性校核的公式：

式中Amin——求得的缓冲衬垫承载面积，m2；

T——求得的缓冲衬垫的厚度，m。

由前面的计算结果可知，缓冲衬垫的厚度经蠕变校核后为0.006 6 m，代入式（3）可得：

因此，缓冲衬垫设计稳定，符合设计要求。

考量生产实际中可批量化生产，采用瓦楞纸板一页成型为基本思路设计。采用4个角折叠成三角形柱的结构作为支撑，起到缓冲及固定的作用。4个三角形立柱通过开槽插合与下衬垫进行固定，且插入处也起到固定支撑的作用。通过4个角的三角形空心立柱起到衬垫的缓冲效果，同时三角形的结构更具有稳定性，起到支撑的作用。底面与上面采用正方形的设计，预留出缓冲的距离，同时4个开槽的插入也确保了衬垫的稳定性。

2.1.5 缓冲衬垫的结构图

缓冲衬垫选用AB型瓦楞纸板一页成型结构，根据空气净化器的规格对缓冲衬垫的尺寸进行设计，用绘图软件绘制缓冲衬垫的平面图，缓冲衬垫的平面展开如图2所示。

图2 空气净化器缓冲衬垫平面展开图Fig.2 Expanded plan of cushion pad of air purifier

将衬垫的底板折叠90°并通过开槽插入固定形成底板。再将4个角的瓦楞纸板通过90°、45°、90°折叠形成三角形结构，并立起来折叠90°插入到底面的开槽中固定。

2.2 空气净化器缓冲包装的实体模型

根据前期计算确定的缓冲衬垫的设计方案，在solidworks软件中建立三维立体模型，包括上下衬垫、内装产品及瓦楞纸箱等，所得效果如图3所示。

图3 运输单元的立体效果图Fig.3 Three-dimensional rendering of conveying unit

3 空气净化器缓冲运输包装跌落仿真分析

3.1 定义有限元模型材料属性

基于前面的设计计算，衬垫的缓冲材料以及外包装箱均为AB双层瓦楞纸板，而通过查阅资料可知空气净化器的主体材料为ABS，定义材料属性如表2所示［12］。

表2 缓冲包装单元各部分材料属性Tab.2 Material properties of each part of cushioning packaging unit

3.2 跌落仿真分析初始值计算

为模拟实际运输情况，选择对包装件进行动态仿真分析，分别对空气净化器的运输包装进行面、棱和角3种不同方式在跌落高度H=60 cm进行跌落。通过对比极限应力与最大加速度的值来判定所设计的包装件是否合理，能否在运输的过程中吸收能量，起到良好的缓震效果［13］。

为了简化和缩短跌落过程，可以先设定初始位置为H'=0.005 m，根据计算公式，得到包装件在开始跌落瞬间会获得一定的初速度［13-14］，该初速度：

根据H''=V0t+1/2gt2，求得时间间隔t=0.001 6 s。

3.3 跌落仿真结果分析

对缓冲包装进行60cm的面、棱、角跌落仿真分析，分别得到3种跌落方式的应力云图以及加速度曲线。

3.3.1 面跌落仿真结果分析

根据所建立的运输单元模型和网格划分结果，在60 cm的跌落高度对缓冲单元进行面跌落的仿真分析，得到缓冲衬垫的应力云图和最大加速度曲线，分别如图4和图5所示。

图4 缓冲衬垫面跌落应力云图Fig.4 Nephogram of drop stress on cushion pad surface

图5 缓冲衬垫面跌落加速度曲线Fig.5 Drop acceleration curve of cushion pad surface

由图4可以看到，应力集中在衬垫与空气净化器的接触面以及衬垫的固定插入开槽处，外瓦楞纸箱的应力集中在瓦楞纸箱底部以及4个角落处，最大应力出现在与跌落棱最相近的下衬垫的固定开槽处。在跌落过程中缓冲衬垫的最大应力为2.033 MPa，未超过AB双层瓦楞纸板的最大应力 2.38 MPa［15-16］。

由图5可以看出，跌落缓冲过程中，运输单元与地面接触瞬间获得的最大加速度约为56.01 g，此加速度小于内装物空气净化器的脆值80 g，因此，在60 cm处进行面跌落时，运输单元对空气净化器起到了较好的缓冲作用。

3.3.2 棱跌落仿真结果分析

根据所建立的运输单元模型和网格划分结果，在60 cm的跌落高度对缓冲单元进行了棱跌落的仿真分析，得到了缓冲衬垫的应力云图和最大加速度曲线，分别如图6和图7所示。

图6 缓冲衬垫棱跌落应力云图Fig.6 Nephogram of drop stress of cushion pad edge

图7 缓冲衬垫棱跌落加速度曲线Fig.7 Drop acceleration curve of cushion pad edge

由图6可知，在60 cm高度进行棱跌落时，应力集中在瓦楞纸箱以及衬垫的棱角处，最大应力出现在与跌落棱最相近的下衬垫的固定开槽处。在跌落过程中缓冲衬垫的最大应力为3.882 MPa，超过瓦楞纸板的极限应力2.38 MPa，即在跌落的过程中缓冲衬垫有轻微破损。

由图7可以看出，在棱跌落过程中，缓冲包装件与地面接触瞬间最大加速度约为15.3 g，小于内装物空气净化器的脆值80 g，可以对内装空气净化器起到保护作用［17-18］。

3.3.3 角跌落仿真结果分析

根据所建立的运输单元模型和网格划分结果，在60 cm的跌落高度对缓冲单元进行了角跌落的仿真分析，得到了缓冲衬垫的应力云图和最大加速度曲线，分别如图8和图9所示。

图8 缓冲衬垫角跌落应力云图Fig.8 Nephogram of cushion pad corner drop stress

图9 缓冲衬垫角跌落加速度曲线Fig.9 Drop acceleration curve of cushion pad corner

根据图8可知，在60 cm高度进行角跌落时，应力集中在瓦楞纸箱以及衬垫的跌落角处。在跌落过程中缓冲衬垫的最大应力为4.847 MPa，超过AB双层瓦楞纸板的极限应力2.38 MPa，说明衬垫在60 cm处进行角跌落发生失效。

由图9可知，与地面接触瞬间最大加速度约为27.4 g，小于内装物空气净化器的脆值80 g。

综上所述，设计的缓冲衬垫在60 cm进行面跌落时，缓冲衬垫的最大应力为2.033 MPa，低于纸板的极限应力2.38 MPa，而在进行角跌落和棱跌落时，其最大应力分别为4.847 MPa和3.822 MPa，超过了瓦楞纸板的极限应力，故在60 cm跌落处缓冲衬垫出现了轻微破损。但由于3种跌落方式产生的最大加速度分别为56.0 g、27.4 g和15.3 g，均小于产品的脆值80 g，因此，内装物在跌落过程中未发生破损，缓冲衬垫仍具有一定的保护作用。为了消除缓冲衬垫在跌落过程中发生的破损，需要对所设计的缓冲衬垫结构进一步优化。

3.4 缓冲衬垫结构优化

针对60 cm的棱跌落和角跌落出现的最大应力高于缓冲材料的极限应力，对所设计的缓冲衬垫结构提出改进方案，使其更具有合理性。

（1）增大缓冲距离。适当地增大4个角以及上下底面的缓冲距离，增大空气净化器与缓冲衬垫的接触面积，从而分散所受到的应力。

（2）对结构增加支撑。对于静态分析和面、棱、角跌落的应力主要集中在4个固定的插入支撑处的情况，考虑对结构增加额外的支撑，对底面进行裁切使其窝折到与另一底面接触，增加接触面积，使结构更加稳定。

除4个角的插合处固定之外，为防止其变形，在4个角落处的空心圆柱内再添加一个支撑结构，提高其稳定性。具体改进结果如图10所示。

图10 缓冲包装衬垫优化结构效果图Fig.10 Effect diagram of cushion packaging liner optimization structure

4 结语

针对目前市面上所售的空气净化器，在基于“绿色包装”理念的基础上，采用瓦楞纸板进行一页成型的结构，设计成缓冲衬垫，并在60 cm的高度下进行面、棱、角的动态跌落分析。仿真结果表明，在60 cm进行角跌落和棱跌落时，缓冲衬垫的最大应力超过了瓦楞纸板的极限应力，缓冲衬垫出现轻微破损，但在跌落过程中产生的最大加速度小于产品的脆值，因此，缓冲衬垫对内装物起到一定的保护作用。针对跌落过程中出现的问题，对衬垫提出进一步的结构改进方案，提高衬垫的强度，使其在更高的环境下跌落也可实现对产品的防护，更进一步地提高实际生产中的可行性，减少包装材料的使用量，降低成本，提高缓冲包装的生产效率，为空气净化器缓冲包装的可持续生产和稳定的流通过程提供技术支持。