包裝優化
關注創建者：段白月 創建時間：2022-07-01
包裝優化的視頻教程
包裝行業仿真應用實例介紹
無論是傳統消費品行業還是高科技行業等其他領域，包裝對于產品的作用日漸增大，對于包裝設計及仿真工程師而言，掌握包裝強度及優化的分析方法是一項重要的技能，本次課程主要為大家介紹Abaqus、Isight、Tosca軟件在包裝強度及優化分析中的應用，歡迎大家參與討論。
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包裝優化的實例教程
該公司重視精心設計的包裝對于保護其在70個國家設計、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)已經長時間用于產品設計和測試，然而產品包裝開發卻主要依賴于物理跌落測試。
挑戰
Mabe希望將已經成功用于其電器開發上的CAE工具同樣用于洗衣機的包裝設計和優化中。對于該公司的挑戰是在設計的早期即在進行各種物理測試之前，開發一款考慮各種載荷工況的優化的包裝設計。那樣，包裝設計將由計算機仿真驅動，努力去更快地尋找理想解決方案，并降低重復物理測試的必要性。與此同時, Mabe希望能夠在將來將用于開發洗衣機的分析仿真技術轉移用到其它產品的包裝上，從而通過優化加速其設計工作。
解決方案
Mabe希望Altair產品設計咨詢團隊(ProductDesign)憑借其經驗將優化方法應用到各種系列產品和包裝中。首要任務是生成能準確代表Mabe產品和其包裝結構的有限元（FEA）模型。HyperWorks的前處理解決方案，HyperMesh用來建立所有產品相關部件，以及比如由發泡聚苯乙烯、層壓紙和瓦楞紙板構成的包裝結構的完整有限元模型。為了保證這些包裝材料仿真結果的準確性，首先需要做材料的測試和表征。這通過創建聚苯乙烯和其它材料的簡化物理測試來實現，測試的結果用來修正虛擬材料的屬性，從而生成更精確的仿真模型。
洗衣機有限元模型和內部部件結構 在和仿真相關聯的測試中的產品破損
然后，Altair產品設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。
展開 行業：電子消費品
挑戰：如何優化空調結構和包裝設計
Altair 解決方案：利用RADIOSS碰撞理論進行空 調器結構、包裝設計
優點：節省材料 ； 結構性能更高效 ； 加快設計周期
背景介紹
海爾集團創立于 1984 年，主要研發和生產冰箱、空調、洗衣機、熱水器、彩 電和廚房電器等白色家電。海爾集團“秉承銳意進取的海爾文化，積極拓展業務新 領域，開辟現代生活解決方案的新思路、新技術、新產品、新服務，引領現代生活 方式的新潮流，以創新獨到的方式全面優化生活和環境質量。”
隨著家電市場競爭日益激烈，產品的質量、成本和開發周期越來越受到家電企 業的高度重視。計算機軟件和硬件技術的不斷發展，對百萬以上大型模型進行求解 的效率越來越來高。利用 RADIOSS 碰撞理論進行空調器結構、包裝設計，可以大 幅提高產品的可靠性，有效節約包裝材料，并進行創新設計，達到行業的技術領先。
挑戰
依靠工程師設計經驗以及參考母本進行的空調結構、包裝設計方法，往往只能 做定性的分析。當模型結構較為復雜時，定量的手工計算分析是非常困難的。單靠 工程經驗進行的設計方法存在過度使用材料，或強度欠佳等問題，已遠遠不能滿足 家電行業快速發展的需要。
“利用RADIOSS的多CPU技術、質量縮放技術進行跌落分析，計算效率更高；計算結果更準確，不受CPU核數的影響。”
展開 除了利用HyperMesh來實現建模流程外，聯合利華還使用HyperWorks的其他工具，包括RADIOSS求解器、HyperStudy 和OptiStruct拓撲優化、形貌優化及多學科優化。聯合利華包裝設計部門的一個目標就是確保其新的設計利用更少的材料，比他們所替代的產品要更優化，同時不改變結構性能。OptiStruct在這方面扮演了重要角色。
例如：在設計一款Hellman牌沙拉醬的大型容器時，設計師進行了模具內部表面光滑的吹塑材料的仿真。“這個設計 一開始沒有達到我們所需的強度，”Maffeo說道，“后來，利用拓撲優化的結果在外形上設計成稍微扭轉曲面，并在瓶子 外部建立平面結構，向外突出幾毫米，我們就創造了一個更堅固的容器。我利用OptiStruct來進行拓撲優化，它能夠顯示哪些地方應該增強材料，以達到承受最大的強度。”
結論
“仿真測試節約了大量的資金，”Maffeo說，“使我們在設計早期就可以修改設計。HyperWorks仿真的精確度非常高 的，它能很好地預測我們在實際生產中所看到的情況。”HyperWorks幫助聯合利華避免了潛在的工具重造的成本，加速了設計進程。“我可以在產品研發進程中有更多的時間來進行仿真工作，”Maffeo說，“當采用外包時，這個周期可能需要 2個月。現在，將HyperWorks結合到我們自己的工作中，能夠讓我們快速運行仿真；所以現在很多項目，我們只需2-3周來 進行仿真。”HyperWorks已經成為聯合利華包裝設計流程中的重要部分。
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展開 結構強度分析
CFD與熱分析
模流分析
金屬成型分析
CAE在家電行業應用案例分析
熱水器包裝優化設計
客戶原始包裝設計在進行踩踏試驗時出現如圖所示的破壞情況，需要進行優化.優化設計目標為滿足跌落、踩踏測試標準下，泡沫重量最優。
優化思路：首先，對原設計進行分析，判斷分析結果，找出薄弱區域，然后對結構進行優化，并與實驗結果進行對比，進行進一步優化。
通過對初始設計的仿真模擬，確認踩踏在避掛周圍和控制蓋板周圍，包裝紙箱由于存在均部應力集中，從而應力值超過材料的破壞強度，造成紙箱破裂。
根據原始分析結果進行如下優化：將泡沫四周導角過渡，改善踩踏緩沖區，避免拐角應力集中;改變加強肋布局，增加強度;中間掏空節省材料;邊角加大改善沖擊慣性。
經過改善優化，目前客戶的包裝設計已經完全滿足跌落與踩踏標準，且包裝成本在原來的基礎上降低了10%以上。目前客戶正在將新型包裝申請設計專利。
壓力鍋墊片優化
該分析的目的為針對電壓力鍋在高壓蒸汽的情況下(分析中以不同的壓力值作為蒸汽的加載工況)，支撐墊片不能發生永久變形進行分析和優化。
墊片的形狀分為如圖所示A、B兩種。且墊片的厚度、材料以及尺寸參數均作為優化對象。
分析中通過虛擬DOE實驗，通過排列組合，以墊片的應力和變形量作為目標值進行對比判斷，最終得出最優的組合參數方案，使得客戶的墊片設計能夠滿足設計需求
冰箱門熱應力分析
某公司在開發某型號的冰箱時，在門體溫度循環試驗中門蓋發生如圖所示的開裂現象。分析的目的為通過溫度場模擬冰箱門在高溫及低溫放置的工況，考查冰箱門蓋的應力和變形情況，查找出門蓋開裂的原因，并對其結構進行了改善。
展開 跌落測試
包裝是否能承受電商供應鏈的潛在跌落
而完好無損？
最終的測試輸出包括：
●材料優先級排序（預選）;
●關于材料、密封或包裝外形變化的建議（現有包裝設計優化）;
●在進入ISTA或其它物理測試之前，快速且低成本的預先給出包裝解決方案，減少物理測試頻率和時間。
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快消包裝設計優化所需的數百次仿真以及隨之而來的數周甚至數月時間，被視為產品快速推向市場、實現銷售的不必要障礙。
而 PhysicsAI 改變了這一現狀。其帶來的直接成果是，領先企業每年可節省數億美元成本，同時減少相當于數十億個塑料瓶被送往垃圾填埋場。
該框架集成了英偉達 Omniverse 庫、英偉達 CUDA-X 庫、微軟 Azure 以及加速的新思科技物理引擎，已證實能夠近乎實時地優化灌裝包裝生產線，并拓展了仿真技術驅動洞察的應用范圍。
該開源框架作為實現數字化轉型的藍圖，集成了 GPU 原生的 Ansys Fluent? 流體仿真軟件，其集成了英偉達 Omniverse 庫和云計算，進而實現可擴展部署。
快消包裝設計優化所需的數百次仿真以及隨之而來的數周甚至數月時間，被視為產品快速推向市場、實現銷售的不必要障礙。</p><p><br></p><p>而 PhysicsAI 改變了這一現狀。其帶來的直接成果是，領先企業每年可節省數億美元成本，同時減少相當于數十億個塑料瓶被送往垃圾填埋場。
應用領域廣泛：
沃華慧通的跌落試驗機廣泛應用于消費電子、汽車零部件、精密儀器、家電、科研檢測、包裝運輸等多個行業，是您提升產品質量、優化包裝設計、通過相關國際/國家標準（如ISTA, ASTM, GB等）認證的得力工具。
結語
從模擬隨機意外的自由跌落到精準打擊的定向跌落，每一種測試模式都是通往更高產品可靠性道路上不可或缺的一環。
5.包裝減量化發展
簡化包裝材料及工藝，優化包裝結構，降低包裝碳排放將成為全行業共識。
6.可循環包裝
在雙碳時代背景下，可循環包裝憑借其在效益、可持續性、安全性等方面的優勢，將成為各行業實施可持續計劃的重要組成部分。
7.包裝的回收與再利用
包裝的回收處理與再利用已成為各國環境保護的當務之急，也成為治理環境的重要措施。
在物流和制造領域，通過數智化技術實現減少物流環節，減少重復包裝，優化制造工序，優化人員配置，提升自制率，全流程降低產品成本。在管理領域，通過數字化技術，優化計劃和庫存管理，強化能耗管理，降低廢損，減少浪費，實現成本降低目標。
挑戰
Mabe希望將已經成功用于其電器開發上的CAE工具同樣用于洗衣機的包裝設計和優化中。對于該公司的挑戰是在設計的早期即在進行各種物理測試之前，開發一款考慮各種載荷工況的優化的包裝設計。那樣，包裝設計將由計算機仿真驅動，努力去更快地尋找理想解決方案，并降低重復物理測試的必要性。
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