跌落測(cè)試是一種受控試驗(yàn)，旨在研究產(chǎn)品從特定高度和方向跌落到硬表面上時(shí)發(fā)生的情況。每次測(cè)試后，工程師都會(huì)測(cè)量沖擊大小、對(duì)功能的影響以及任何外觀損傷。他們使用這些信息來改進(jìn)設(shè)計(jì)或確定當(dāng)前結(jié)構(gòu)是否可行。

大多數(shù)人都熟悉對(duì)手機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的測(cè)試，但除此之外，工程師在航空航天、消費(fèi)品、重型機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備甚至核材料運(yùn)輸?shù)缺姸嘈袠I(yè)都會(huì)采用跌落測(cè)試。

任何跌落測(cè)試的目標(biāo)都是確保產(chǎn)品和包裝設(shè)計(jì)能夠承受合理次數(shù)的跌落，并保證安全性、正常運(yùn)行且不會(huì)造成外觀損傷。除了物理測(cè)試之外，大多數(shù)公司還會(huì)在設(shè)計(jì)流程的早期階段使用仿真進(jìn)行虛擬跌落測(cè)試，以降低成本。

跌落測(cè)試主要研究產(chǎn)品在兩個(gè)方面可能發(fā)生的損壞。第一個(gè)方面是在使用前的運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程中，第二個(gè)方面是在設(shè)備使用過程中。在使用前階段，產(chǎn)品通常有某種類型的包裝，因此需要進(jìn)行包裝跌落測(cè)試，以評(píng)估包裝的耐用性。然后再對(duì)產(chǎn)品本身進(jìn)行測(cè)試，以了解在最終用戶那里的使用過程中的意外跌落時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。

有效跌落測(cè)試指南

進(jìn)行有效且信息豐富的跌落測(cè)試的關(guān)鍵在于，建立符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的跌落測(cè)試程序，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供有用信息，并對(duì)包裝和產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

跌落測(cè)試目標(biāo)

任何跌落測(cè)試項(xiàng)目的第一步，都是確定測(cè)試的目標(biāo)和對(duì)象。有時(shí)，唯一的測(cè)試目標(biāo)就是滿足FedEx等托運(yùn)商或Amazon、Sam's Club等分銷商所要求的標(biāo)準(zhǔn)。在另一些情況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要使用測(cè)試數(shù)據(jù)來優(yōu)化產(chǎn)品或包裝設(shè)計(jì)。目標(biāo)應(yīng)被清晰記錄，并用于制定測(cè)試計(jì)劃。

跌落測(cè)試中使用的變量

產(chǎn)品可以從無(wú)數(shù)個(gè)高度、多種不同的方向和多種環(huán)境條件下跌落，這些都是可由標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)定義的變量。有效的跌落測(cè)試應(yīng)對(duì)以下變量進(jìn)行明確定義：

• 跌落高度：重力會(huì)加速物體自由下落，因此跌落的高度決定了測(cè)試樣本撞擊沖擊表面時(shí)的速度，也決定了沖擊能量。
• 產(chǎn)品方向：當(dāng)物體落在角落或邊緣時(shí)，物體上的載荷會(huì)集中，與落在較大、平坦表面上相比，損傷程度更大。這就是跌落測(cè)試包括多個(gè)方向的原因。
• 跌落次數(shù)：產(chǎn)品或包裝可能可以承受一次或兩次跌落，但每次受到?jīng)_擊后，都會(huì)造成額外的損傷。關(guān)于物體在不同高度下必須承受的跌落次數(shù)，許多測(cè)試都有相關(guān)規(guī)范。
• 沖擊表面材料：跌落測(cè)試用的平面的材料特性會(huì)顯著影響傳遞到跌落物體的能量。一些常見的跌落測(cè)試表面，包括：混凝土、拋光混凝土、鋼、混凝土上的膠合板和混凝土上的乙烯瓷磚。
• 溫度和濕度：測(cè)試環(huán)境中的溫度和濕度是一個(gè)重要變量，尤其是對(duì)于紙板包裝而言。這兩個(gè)變量會(huì)影響產(chǎn)品、包裝和跌落表面的材料屬性。

跌落測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

跌落測(cè)試有多種標(biāo)準(zhǔn)，有些是由行業(yè)制定的，有些是由運(yùn)輸或分銷產(chǎn)品的公司制定的，還有一些是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定的。其中一些最常見的標(biāo)準(zhǔn)包括：

• ASTM D5276：通過自由落體對(duì)裝載容器進(jìn)行跌落測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法
• ASTM D7386：單一包裹輸送系統(tǒng)包裝性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐
• ISTA 3A：包裹輸送系統(tǒng)運(yùn)輸，重量小于150磅（70kg）
• ISO 2248：跌落垂直沖擊測(cè)試
• IEC 60068-2-31：測(cè)試-測(cè)試Ec：粗暴搬運(yùn)沖擊，主要用于設(shè)備型物品
• MIL-STD-810G 516.6：環(huán)境工程考量和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試：測(cè)試：沖擊

?跌落測(cè)試設(shè)備

垂直跌落測(cè)試通常使用一套小型測(cè)試設(shè)備來進(jìn)行測(cè)試并測(cè)量結(jié)果。測(cè)試規(guī)劃人員應(yīng)指定能夠處理測(cè)試物體的尺寸和質(zhì)量、準(zhǔn)確測(cè)量測(cè)試的輸入變量，并從測(cè)試中捕獲所需數(shù)據(jù)的設(shè)備。

跌落測(cè)試儀

跌落測(cè)試儀可用于按照所需的高度、方向和沖擊表面參數(shù)，對(duì)測(cè)試物體進(jìn)行重復(fù)一致的跌落測(cè)試。其由一個(gè)沖擊表面和一個(gè)機(jī)械裝置組成，該裝置可在所需高度和方向固定和釋放測(cè)試物體。大多數(shù)機(jī)器都能自動(dòng)提升和釋放測(cè)試樣本。

旋轉(zhuǎn)滾筒跌落測(cè)試儀

小型電子組件和設(shè)備（如手機(jī)）可使用旋轉(zhuǎn)滾筒跌落測(cè)試機(jī)進(jìn)行測(cè)試。將測(cè)試物體放入旋轉(zhuǎn)的滾筒中，滾筒會(huì)反復(fù)提升和跌落測(cè)試物體。許多公司使用這種類型的設(shè)備，來驗(yàn)證每種可能的跌落方向都已經(jīng)過測(cè)試。

加速度傳感器

加速度是工程師需要的關(guān)鍵信息之一，可幫助他們了解產(chǎn)品在沖擊事件中承受的載荷。測(cè)試人員使用加速度傳感器來測(cè)量包裝中和產(chǎn)品關(guān)鍵位置的加速度。

光學(xué)檢查器

工程師還需要了解測(cè)試物體在沖擊后的外觀損傷和物理變形。技術(shù)人員可以使用各種校準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行視覺檢查，用高質(zhì)量攝像頭或光學(xué)光掃描來獲得變形表面，從而實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

產(chǎn)品測(cè)試夾具

測(cè)試夾具，可在涉及產(chǎn)品功能測(cè)試時(shí)用于自動(dòng)化功能測(cè)試。

跌落測(cè)試的典型步驟

1. 規(guī)劃：測(cè)試工程師利用目標(biāo)、產(chǎn)品規(guī)范以及行業(yè)或公司標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)劃一組最有效的測(cè)試，以滿足所有要求。
2. 設(shè)備校準(zhǔn)和設(shè)置：跌落測(cè)試設(shè)備應(yīng)針對(duì)測(cè)試進(jìn)行校準(zhǔn)和配置。這包括解決安全問題，并在需要時(shí)實(shí)施自動(dòng)化和數(shù)據(jù)采集。
3. 樣本準(zhǔn)備：然后，技術(shù)人員必須準(zhǔn)備測(cè)試物體本身。這可能是包裝和產(chǎn)品的原型，也可能是從生產(chǎn)中抽取的測(cè)試樣本。同時(shí)，還需要安裝加速度傳感器，并根據(jù)需要應(yīng)用標(biāo)記。此階段還應(yīng)對(duì)質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證。
4. 執(zhí)行：使用跌落測(cè)試規(guī)劃中所述的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。執(zhí)行中的每個(gè)步驟都要保持一致并遵循測(cè)試計(jì)劃，這一點(diǎn)非常重要。
5. 檢查和分析：每次跌落測(cè)試后，技術(shù)人員和工程師都會(huì)檢查測(cè)試物體，并捕獲任何幾何結(jié)構(gòu)、外觀或功能上的變化。同時(shí)，還會(huì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以獲得測(cè)試或工程團(tuán)隊(duì)所需的數(shù)據(jù)。
6. 文檔和報(bào)告：任何測(cè)試計(jì)劃都需輸出一份完整而詳細(xì)的報(bào)告，其中包括已完成的操作、獲得的數(shù)據(jù)以及測(cè)試計(jì)劃的任何例外情況。

跌落測(cè)試的五大優(yōu)勢(shì)

在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，工程團(tuán)隊(duì)會(huì)重點(diǎn)關(guān)注其在正常操作過程中的功能狀況。上述正常操作過程，包括在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的不同階段將設(shè)備跌落。由于各種原因，跌落測(cè)試已成為產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵部分，其中包括：

1. 安全性

驗(yàn)證產(chǎn)品安全性，是跌落測(cè)試最重要的目的。如果產(chǎn)品在跌落后結(jié)構(gòu)完整性受損，則可能會(huì)泄漏化學(xué)品、過熱、著火或以可能造成損害的方式運(yùn)行。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用跌落測(cè)試或跌落測(cè)試仿真來優(yōu)化產(chǎn)品及其包裝的材料和結(jié)構(gòu)，以滿足安全規(guī)范。

2. 產(chǎn)品耐用性和功能性

在滿足安全要求后，跌落測(cè)試的下一個(gè)目標(biāo)是驗(yàn)證產(chǎn)品在跌落后是否足夠耐用，以保證其正常運(yùn)行。這要根據(jù)所測(cè)試的具體產(chǎn)品進(jìn)行判斷。比如，IoT傳感器可能會(huì)出現(xiàn)凹陷和刮擦，但只要它能繼續(xù)收集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，就會(huì)被認(rèn)為是功能正常的。

在醫(yī)療和國(guó)防行業(yè)中，功能性變得至關(guān)重要，因?yàn)楫a(chǎn)品功能的損失可能會(huì)對(duì)患者和作戰(zhàn)人員產(chǎn)生重大影響。跌落測(cè)試可幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)在合理的跌落次數(shù)下的耐用性。

3. 客戶滿意度

產(chǎn)品跌落后的狀態(tài)會(huì)對(duì)客戶對(duì)產(chǎn)品和品牌的感受產(chǎn)生重大影響，尤其是在發(fā)生功能性減弱的情況時(shí)。此外，交付時(shí)包裝的外觀狀態(tài)或產(chǎn)品本身在跌落后的外觀，也會(huì)對(duì)客戶滿意度產(chǎn)生重大影響。凹陷、刮擦和裂紋可能不會(huì)影響功能，但確實(shí)會(huì)對(duì)客戶對(duì)產(chǎn)品的印象產(chǎn)生負(fù)面影響。

跌落測(cè)試不僅可以避免相關(guān)損傷，還可以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與市場(chǎng)營(yíng)銷和客戶支持團(tuán)隊(duì)合作，以明確最終用戶關(guān)于產(chǎn)品可承受跌落范圍的預(yù)期。

4. 尺寸、材料、運(yùn)輸和存儲(chǔ)成本降低

使產(chǎn)品能夠承受從各種高度自由跌落的一個(gè)簡(jiǎn)單方法，就是增加包裝和產(chǎn)品本身的材料。然而，這會(huì)增加材料、運(yùn)輸和存儲(chǔ)成本，從而增加產(chǎn)品的整體成本。跌落測(cè)試可幫助工程師驗(yàn)證，其包裝和產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否能在滿足跌落要求的同時(shí)，最大限度地降低成本。

5. 更換、維修和保修成本降低

如果產(chǎn)品在運(yùn)輸或使用過程中受損，更換成本可能會(huì)迅速增加。跌落測(cè)試有助于確定哪些跌落類型在保修范圍內(nèi)，以及對(duì)托運(yùn)人的要求。此外，跌落測(cè)試還可以提高產(chǎn)品的耐用性和包裝質(zhì)量，以降低與跌落損壞相關(guān)的潛在成本。

虛擬跌落測(cè)試仿真

物理跌落測(cè)試是質(zhì)量保證中一個(gè)成熟且有效的方法，但物理測(cè)試只能在產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)和可測(cè)試版本完成之后才能進(jìn)行。此外，物理測(cè)試不僅成本高昂而且極為耗時(shí)，更不用說在研發(fā)流程后期更改設(shè)計(jì)的成本了。這就是許多公司使用仿真來進(jìn)行虛擬跌落測(cè)試的原因，將其作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的一部分，而不是流程完成后的一個(gè)步驟。

Ansys LS-DYNA?軟件是大多數(shù)行業(yè)進(jìn)行跌落測(cè)試仿真的標(biāo)準(zhǔn)仿真工具。這是一個(gè)有限元分析（FEA）平臺(tái)，可在時(shí)域中求解，并考慮質(zhì)量、動(dòng)量、復(fù)雜材料和復(fù)雜接觸條件，這正是工程師進(jìn)行跌落測(cè)試仿真時(shí)所需要的。仿真不僅可以幫助工程師了解其產(chǎn)品及其包裝的跌落行為，而且還可以快速開展參數(shù)化“假設(shè)”研究，以推動(dòng)這些設(shè)計(jì)。

仿真的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，工程師可以看到包裝或產(chǎn)品內(nèi)部，并查看沖擊事件中隨時(shí)間變化的內(nèi)部行為，從而提供比物理測(cè)試更深入的洞察。使用仿真進(jìn)行跌落測(cè)試的工程師，可以獲得裝配體中任何位置的加速度、應(yīng)力、變形、接觸力、塑性變形和位移信息。

使用Ansys LS-DYNA對(duì)電子產(chǎn)品外殼進(jìn)行跌落測(cè)試仿真，展示了其撞擊剛性地板時(shí)的變形

使用仿真進(jìn)行虛擬跌落測(cè)試時(shí)，工程師應(yīng)考慮以下最佳實(shí)踐：

• 在可能的情況下，使用六面體（hex）單元?jiǎng)?chuàng)建高質(zhì)量、精確的網(wǎng)格，確保厚度方向上分布有足夠的單元，并在需要時(shí)使用高階單元。相對(duì)均勻的單元尺寸也是關(guān)鍵。Ansys產(chǎn)品中有各種網(wǎng)格劃分工具可以幫助完成此過程。
• 使用綁定接觸來連接產(chǎn)品中彼此相連的組件，并使用摩擦接觸來表示在沖擊事件中可能相對(duì)于彼此滑動(dòng)的表面。LS-DYNA軟件中有大量工具可用于建立和管理接觸連接。
• 利用LS-DYNA軟件各新版本中添加的新功能。多case建模、紙板材料和新網(wǎng)格劃分工具等功能，可改進(jìn)跌落測(cè)試的功能和用戶體驗(yàn)。
• 在您自己的硬件上或在云端利用高性能計(jì)算（HPC），LS-DYNA軟件支持多核并行處理，從而實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的模型和更短的求解時(shí)間。

跌落測(cè)試的未來趨勢(shì)

客戶和分銷合作伙伴的期望在不斷變化，從而推動(dòng)跌落測(cè)試的技術(shù)和相關(guān)期望向前發(fā)展。此外，可持續(xù)性也對(duì)產(chǎn)品使用的材料及其包裝方式產(chǎn)生了重大影響。

工程師在規(guī)劃未來的跌落測(cè)試工作時(shí)，應(yīng)考慮以下五種趨勢(shì)。

可持續(xù)性

可持續(xù)性正在推動(dòng)產(chǎn)品包裝系統(tǒng)發(fā)生巨大的轉(zhuǎn)變。在某些情況下，消費(fèi)者和零售合作伙伴都期望能夠使用產(chǎn)品本身的包裝進(jìn)行運(yùn)輸，而無(wú)需任何保護(hù)性包裝。環(huán)境問題也促使產(chǎn)品及其包裝使用更具可持續(xù)性的材料，并在整體上減少材料的使用。

成本降低

制造、包裝和運(yùn)輸?shù)某杀究赡芟喈?dāng)高，因此企業(yè)在不斷尋找降低成本的方法。跌落測(cè)試（尤其是跌落測(cè)試仿真）將發(fā)揮更重要的作用，幫助工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，以降低產(chǎn)品及其包裝的成本，同時(shí)確保耐沖擊性能符合規(guī)范。

用戶期望提高

用戶對(duì)包裝外觀的要求在不斷提高，并對(duì)產(chǎn)品能夠承受的跌落高度提出了更高要求。在設(shè)計(jì)流程的早期階段，工程師需要使用仿真跌落測(cè)試來滿足這些期望，并賦予其產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

貨架吸引力和開箱體驗(yàn)

另一個(gè)用戶期望不斷增長(zhǎng)的方面，是產(chǎn)品在物理和虛擬貨架上的外觀，以及開箱體驗(yàn)。這些美學(xué)考量因素，將對(duì)沖擊耐久性的設(shè)計(jì)特性產(chǎn)生越來越大的影響。在這方面，仿真跌落測(cè)試也能為工程師提供所需的工具，以便在研發(fā)周期早期嘗試更多美觀的包裝設(shè)計(jì)。

多物理場(chǎng)仿真

在仿真領(lǐng)域，人們大力推動(dòng)充分利用LS-DYNA軟件等工具中的多物理場(chǎng)功能，并將其與Ansys Mechanical?軟件、Ansys Sherlock?工具、Ansys Icepak?軟件和Ansys Fluent?應(yīng)用耦合。這樣，便可以評(píng)估跌落產(chǎn)生的載荷和變形如何影響產(chǎn)品的性能和可靠性。