跌落仿真在产品包装设计中的实践与分析

跌落仿真在产品包装设计中的实践与分析

晏小娟  张云  周翔宇  秦小晋

中国电子科技集团公司第三十研究所，四川省成都市，610041

摘要：产品包装设计中的跌落仿真涉及评估包装材料和产品如何适应各种跌落场景，从而最大限度的减少经济损失，加强对产品包装设计的跌落仿真分析，能够使产品在送达客户之前显现出问题与不足，比如应力集中或缓冲不足等等。从而可以及时改进设计、减少运输过程中的产品损坏并提高客户满意度。为此，本文主要针对跌落仿真在产品包装设计中的实践进行深入分析，旨在为实现上述目标提供可靠的理论依据。

关键词：跌落仿真；产品包装设计；实践分析

引言：

跌落仿真在产品包装设计中发挥着关键作用，因为它允许设计人员复制产品在运输和搬运过程中可能遇到的真实场景，通过使包装原型经历受控跌落，可以评估它们保护封闭物品免受冲击力的能力，这种主动分析方法有助于减少产品在运输过程中损坏风险，从而提高客户的满意度。与此同时，从跌落仿真分析中获得的结论能够使设计人员做出明智的决策，从而设计出既具有保护性又具有成本效益的包装品，这样才能促进产品包装设计的不断优化。

1.跌落仿真方法概述

1.1分析方法

产品包装设计跌落模拟的分析方法涉及使用理论计算和数学模型来估计包装材料在跌落过程中如何响应冲击力，这些方法在产品包装设计的早期阶段非常有价值，因为它们可以快速了解包装性能，而无需进行物理测试。以下是分析方法的一些关键要点：（1）理论计算：工程师和设计师使用数学方程和物理学原理来预测包装材料和产品在受到冲击力时的行为，这些计算考虑了重力、加速度和材料特性等因素来估计应力、应变和变形。（2）数学模型：开发数学模型来表示包装系统的几何形状和属性，然后对这些模型进行模拟跌落事件，并求解所得数学方程以确定包装的响应。（3）速度和成本效率：分析方法具有成本效益且节省时间，使其适合初始设计评估。（4）局限性：虽然分析方法在成本和时间效率方面具有显著优势，但与实验或计算机辅助模拟方法相比，它们可能存在局限性，因此有必要对其局限性进行分析[1]。总之，分析方法是包装设计跌落模拟的重要工具，可以帮助设计人员快速的了解包装性能。然而，分析方法通常与其他方法结合使用，例如物理测试或计算机辅助模拟，以确保全面的设计优化。

1.2实验方法

产品包装设计跌落模拟的实验方法包括物理测试和加速测试，以评估包装系统在真实跌落场景下的表现。以下是实验方法的一些关键要点：（1）物理测试：物理跌落测试涉及将包装产品从指定的高度和方向实际跌落到各种表面上，包括硬地板、托盘或其他相关平台，高速摄像机、加速度计和传感器用于测量包装和封闭产品所承受的冲击力、应力和应变。（2）加速测试：加速测试涉及使包装系统承受超出典型现实条件的跌落事件，这有助于模拟最坏的情况，并确保包装能够承受运输过程中意外的冲击和撞击。（3）提供真实数据：实验方法提供真实数据，对包装性能进行直接、准确的评估，这些数据对于验证仿真模型和设计假设至关重要[2]。（4）验证：实验测试对于验证模拟结果并确保包装设计符合安全和性能标准至关重要，它有助于识别模拟性能和实际性能之间的差异。总之，实验方法在包装设计的跌落模拟中发挥着关键作用，为设计决策提供真实数据和验证。

1.3计算机辅助仿真技术

计算机辅助仿真技术，包括有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)，这些技术彻底改变了产品包装设计中的跌落模拟，并提供了一个虚拟环境来建模和分析包装材料和设计如何响应各种跌落场景，使其成为设计过程中的宝贵工具。

（1）有限元分析(FEA)

FEA是一种模拟技术，允许工程师和设计师分析包装材料和组件在跌落冲击力影响下的结构行为。FEA在跌落模拟中的关键方面包括：①材料属性：FEA考虑刚度、弹性和密度等材料属性，以准确预测包装材料在跌落事件中如何变形和吸收能量。②应力和应变分析：FEA提供有关包装系统内的应力、应变和变形的详细信息，使设计人员能够查明关注区域和潜在故障。③真实感：FEA可以模拟复杂的跌落场景，包括多轴跌落和动态负载条件，提供高水平的真实感[3]。

（2）计算流体动力学(CFD)

CFD主要用于模拟流体流动，但也可用于分析运输过程中包装系统内流体的行为，当包装含有液体或半液体时，这一点尤其重要。CFD在跌落模拟中的关键方面包括：①流体相互作用：CFD对流体和包装组件之间的相互作用进行建模，帮助评估跌落过程中潜在的泄漏、溢出或压力积聚。②温度和压力：CFD还可以分析包装内的温度变化和压力变化，确保温度敏感产品的安全运输。

总之，FEA和CFD等计算机辅助仿真技术为产品包装设计中的跌落仿真提供了全面且高效的方法，它们使设计人员能够评估和优化包装系统的性能、可靠性和安全性，而无需进行大量的物理测试，从而节省设计过程中的时间和资源。

2.在产品包装设计中跌落仿真的实际应用

产品包装设计中跌落仿真的具体实施涉及几个关键阶段，主要包括仿真前阶段、仿真阶段和分析与优化阶段，下面对每个阶段的具体内容进行详细的介绍。

2.1仿真前阶段

（1）确定产品特征和易碎因素。了解所包装的产品至关重要，这就要求设计人员要确定产品的物理特征，包括尺寸、重量、形状以及对特定类型损坏的脆弱性。此外，还应考虑产品脆弱性因素，例如对冲击、振动或温度的敏感性，此信息有助于确定所需的保护级别并为包装设计过程提供信息。

（2）明确跌落测试参数（高度、方向、表面）。这包括确定跌落高度，该高度应模拟产品在运输过程中可能遇到的最常见或极端情况，同时还应考虑方向的变化，因为不同的位置会导致不同的冲击力。此外，需要指定包裹将掉落的表面，无论是硬地板、托盘还是与产品行程相关的其他表面[4]。

（3）搜集材料属性和包装规格。搜集包装设计中使用的材料的数据，包括其机械特性，如刚度、弹性和密度。同时了解包装规格（例如瓦楞纸板、泡沫衬垫或缓冲材料的类型）至关重要，这些规格影响包装吸收和分散冲击力的能力。

在此阶段，产品设计师和工程师之间的协作至关重要，有效的沟通以及对产品和包装材料的全面了解将为跌落仿真奠定良好的基础，有了这些信息，设计人员就可以进入模拟阶段，从而确保产品运输过程中的安全性。

2.2仿真阶段

（1）开发或选择合适的仿真软件。根据特定需求选择合适的仿真软件，有各种专门用于跌落测试和结构分析的软件包，例如Abaqus、ANSYS、LS-DYNA或SolidWorksSimulation，选择合适的软件取决于包装设计的复杂性、可用预算和团队的专业知识等因素。

（2）创建产品和包装系统的3D模型。使用所选的软件，创建产品及其包装系统的详细3D模型，该模型应准确地表示包装部件（包括任何缓冲垫或插入物）的物理尺寸、材料和几何形状。

（3）应用边界条件并模拟跌落事件。定义边界条件，包括约束和载荷，以真实地模拟跌落事件，指定跌落高度、方向以及涉及的任何旋转或平移运动，软件将使用这些参数来准确模拟跌落影响。模拟将提供有关应力、应变、位移和其他相关参数的数据。

（4）评估产品/包装的应力、应变、位移和损坏。仿真完成后，需要分析结果以评估包装系统的性能，寻找可能表明产品存在潜在损坏的过度应力或应变区域。与此同时，还应评估组件的位移，以确保产品在包装内保持牢固。识别包装本身的任何损坏，例如变形或破裂。

此阶段使设计人员能够深入了解包装在现实跌落场景中的表现，并帮助他们识别需要解决的潜在问题，此阶段收集的数据能够帮助设计人员做出有关包装设计修改和优化的明智决策，从而减少产品在运输过程中的跌落风险。

2.3分析和优化阶段

跌落仿真中的分析和优化阶段是确保包装设计的可靠性和有效性的关键步骤，此环节涉及对模拟结果进行系统评估，进行必要的改进，并进行迭代模拟以增强性能。具体内容如下：

（1）分析仿真结果并识别薄弱环节。完成初始跌落仿真后，仔细分析结果，重点关注识别包装系统可能无法充分保护产品的薄弱环节或区域，主要应包括应力集中区、过度应变以及产品或包装组件的任何损坏迹象，可视化工具和数据的图形表示可以帮助查明关注的领域。

（2）修改包装设计或材料以提高抗跌落能力。根据模拟结果的分析，针对包装设计进行必要的修改，这可能涉及结构设计的变化、材料的选择、缓冲元件的添加或几何形状的改变，目标是增强包装吸收和消散冲击力的能力，从而降低产品损坏的风险[5]。在此阶段，设计人员应考虑不同的设计迭代并通过额外的模拟评估其性能，然后微调包装设计，直到满足所需的安全性和可靠性标准。修改时要注意成本效益和实用性，包装设计应在保护性和经济性之间取得平衡。

（3）进行重复模拟和优化以增强性能。为了确保包装设计稳健可靠，还需要对修改后的设计进行重复模拟，继续优化包装设计，直到其在各种跌落场景下始终表现良好，这些迭代有助于完善设计，使其能够应对运输过程中的现实挑战。迭代模拟能够系统地探索不同的设计方案、材料和配置，记录每次迭代并保留所做更改的记录非常重要，因为这些信息可以为未来的包装项目提供可靠信息。

3.跌落仿真在产品包装设计中的优势和局限性

3.1跌落仿真在产品包装设计中的优势分析

（1）成本效益。与传统的物理测试方法相比，跌落仿真可以显著降低成本，它消除了大量物理原型和进行大量测试的需要，而这些测试可能既昂贵又耗时。（2）节省时间。仿真可以实现快速迭代和设计优化，它通过提供有关包装设计性能的快速反馈来加速开发过程，帮助企业更有效地将产品推向市场。（3）降低风险。通过在实施包装设计之前识别其弱点，跌落仿真有助于降低运输过程中产品损坏的风险，这可以减少保修索赔、减少产品损失并提高客户满意度。

3.2跌落仿真在产品包装设计中的局限性

（1）仿真模型的精度限制。仿真模型基于现实场景的假设和简化，虽然它们可以提供有价值的见解，但其准确性取决于输入数据的准确性和建模过程中所做的假设，模拟结果和实际性能之间可能会出现偏差[6]。（2）潜在的简化。为了使模拟易于管理，可以简化或省略一些复杂的现实因素。例如，温度、湿度或动态负载条件的变化可能并不总是得到充分考虑，这可能会导致在某些情况下缺乏真实感。（3）验证挑战。必须根据物理测试验证模拟结果以确保其可靠性，验证可能很复杂、耗时且成本高昂，特别是在处理新颖或高度专业化的包装解决方案时。

总之，跌落仿真在产品包装设计中节省成本、提高时间效率和降低风险方面具有显著的优势。然而，重要的是要意识到它的局限性，特别是在模拟模型的准确性和仔细验证的需要方面。而将仿真与物理测试相结合，可以更全面地了解包装性能，并有助于在经济高效的设计和运输过程中对产品的可靠保护之间取得平衡。

4.成功跌落仿真案例和示例

包装的产品跌落试验，是电子设备常见的环境试验之一。比如，根据GJB367A军用通信设备通用规范3.10.3.3节要求，设备应能够适应各环境可能遇到的跌落环境，保证设备按GJB150.18规定的跌落高度后能够正常工作，这些都是产品研发经常提出的重要环境适应性指标。产品包装设计中成功跌落仿真的案例研究和示例证明了这种方法的显著优势和积极成果，为了贴近工程实际，我们按照实际产品手持平板为原型，以凸显了跌落仿真的有效性：

4.1包装箱跌落仿真过程演示

首先以产品、图纸、三维材料特性为跌落仿真分析要素，对于包装箱仿真而言，包装箱及内衬，材料的特性是很关键的因素之一，下表为所示材料几何特性参数：

表1.包装箱跌落仿真几何特性参数

包装箱的跌落状态通常比较多种多样，为研究较为复杂的突发情况，我们将包装箱设置为按某一个尖角跌落着地的情形。设置初始速度4.9m/s、加速度9.8m/s、地面为刚性水泥地，设置为无摩擦状态的刚体，这些为理想状态，未考虑地面的实际刚度和摩擦系数，所以仿真数据与实际情况有一定差距，情况如图1所示：

图1.包装跌落示意

4.2仿真结果简介(动画、应力、变形、关键时刻)

仿真过程研究了包装箱跌落的1.2秒的全过程，含与地面碰撞、反弹、再次跌落、平面滑移等多个过程。从图2、图3可见，0.6秒时包装箱第一次与地面碰撞，为此，可以提取出此时刻包装箱及产品的各部分变形及应力情况：

           图2.跌落过程                         图3.跌落过程

从图4、图5、图6三张应力相关曲线及云图可见，由于箱体内部弹性内衬的作用，跌落过程中应力最大部位位于箱体中部，产品的相应部位此时应力也是最大。

图4 应力变化曲线

   图5箱体几内衬最大应力情况              图6平板最大应力情况

4.3基于仿真结果的设计改进

FEA模拟揭示了包装中的应力集中点，这些应力集中点在从不同高度和方向跌落时会对组件造成损坏。利用模拟结果，我们通过添加战略性放置的缓冲和加固来修改包装设计，这包括优化泡沫插入物和调整包装几何形状，修改后的包装设计显著降低了运输过程中产品损坏的发生率，模拟仿真为包装试验的通过率而节省了成本，而且还提高了公司在产品质量和可靠性方面的声誉，极大地提高了公司的竞争力。

总之，这案例研究充分说明了跌落仿真在优化产品包装设计中发挥着重要的作用，尤其是在减少产品损坏、提高客户满意度和企业成本效益等方面。通过仿真模拟主动应对包装挑战，公司可以提高竞争力和整体产品质量，从而获得可持续发展的机会和空间。

5.结语

综上所述，跌落仿真通过确保产品在运输过程中的安全性和完整性，在产品包装设计中发挥着关键作用。一方面，跌落仿真有助于在产品进入市场之前识别包装设计中的弱点，从而降低运输过程中损坏风险。另一方面，跌落仿真弥补了传统物理测试方法的缺陷与不足，更好地实现了经济、高效的设计目标。总之，跌落仿真在产品包装设计中的优势包括成本效率、节省时间、降低风险，并能够提高客户满意度，其是一种积极主动的分析方法，可确保产品完好无损地到达目的地，从而为帮助企业树立良好的形象提供了可靠的保障。

参考文献

[1]王天佑，卢秋婷，梁怡良，郑晓雪，张新昌.圆柱形动力锂电池的绿色包装设计及跌落仿真试验[J].包装工程，2023,14(03):55-59.

[2]车宪香.包装件跌落仿真计算与缓冲结构优化[D].山东大学，2013.

[3]张锋.液晶电视运输包装件的跌落仿真研究及安全性优化设计[D].青岛科技大学，2020.

[4]何雯，陈满儒.薄型烟机包装实验室测试与跌落仿真分析[J].包装工程，2019,8(06):115-119.

[5]梁龙.产品包装件跌落过程分析与仿真[D].暨南大学，2009.

[6]蒲雪.基于ANSYS/LS-DYNA的电子产品跌落仿真研究[D].兰州交通大学，2016.