關(guān)鍵詞：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；緩沖材料；優(yōu)化設(shè)計(jì)
中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TB472；TB482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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
我國(guó)包裝產(chǎn)業(yè)在過(guò)去的二十幾年中，得到了迅猛的發(fā)展，已成為世界上包裝大國(guó)之一[1]。隨著入世沖擊和綠色包裝浪潮的到來(lái)，針對(duì)包裝容器的可重復(fù)利用、減少包裝對(duì)環(huán)境污染及降低包裝成本的要求，各產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)及包裝企業(yè)，都在進(jìn)行新型包裝設(shè)計(jì)方法的探索，不斷采用新的包裝材料，努力改變包裝落后的現(xiàn)狀。但由于各方面的原因，我國(guó)目前的包裝產(chǎn)業(yè)還存在著許多問(wèn)題，相對(duì)還有落后的一面。開(kāi)發(fā)新的緩沖材料，減少緩沖材料的使用量，從而降低包裝成本，減少由于包裝帶來(lái)的環(huán)境污染，是擺在我國(guó)包裝行業(yè)面前的一大課題。產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)其包裝也進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少包裝中緩沖材料的使用量應(yīng)該是有效的方法之一。
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其包裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)多目標(biāo)，有復(fù)雜約束條件的問(wèn)題，難于用常規(guī)優(yōu)化技術(shù)求解?？梢允紫燃僭O(shè)每個(gè)目標(biāo)是獨(dú)立的，確定它的約束條件，初步求解設(shè)計(jì)變量，然后對(duì)所有目標(biāo)進(jìn)行綜合考慮確定每個(gè)設(shè)計(jì)變量的值，反復(fù)修正，完成整體設(shè)計(jì)。如：根據(jù)某個(gè)目標(biāo)的設(shè)計(jì)變量x1、x2…xn，構(gòu)造一個(gè)目標(biāo)函數(shù)F（x），并確定限制設(shè)計(jì)變量取值的約束條件g（xi）≥0（i=1，2，…，m），問(wèn)題就變?yōu)椋?BR> 求解設(shè)計(jì)變量：x1、x2…xn
極小化目標(biāo)函數(shù)，即求Min F（x）
滿足約束條件g（xi）≥0（i=1，2，…，m）
文中通過(guò)實(shí)例說(shuō)明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其包裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程和方法。
1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)生產(chǎn)某種產(chǎn)品時(shí)，人們往往只注意產(chǎn)品使用功能的設(shè)計(jì)，而對(duì)產(chǎn)品的包裝問(wèn)題相對(duì)考慮的較少。為了減少緩沖材料的使用量，降低包裝成本，減少包裝帶來(lái)的環(huán)境污染，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的同時(shí)必須考慮產(chǎn)品的包裝設(shè)計(jì)問(wèn)題。如何選擇該產(chǎn)品的原材料及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，才能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)品的包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低包裝成本、目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)緩沖材料包裝，或盡可能地減少緩沖材料的使用量。下面以電視機(jī)為例，說(shuō)明如何進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容。
電視機(jī)的外殼起著對(duì)各種電器元件的支撐和保護(hù)作用。在設(shè)計(jì)電視機(jī)時(shí)，它的外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅要考慮正常使用時(shí)它對(duì)各種電器元件的支撐和保護(hù)作用，同時(shí)也要考慮在運(yùn)輸過(guò)程中，外殼的強(qiáng)度、抗跌落、耐沖擊等性能。要在不增加塑料原材料用量的同時(shí)，提高外殼強(qiáng)度、抗沖擊及跌落強(qiáng)度。提高了產(chǎn)品本身的強(qiáng)度就可以減塵包裝中緩沖材料的使用量，那么怎樣進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)呢？主要采取的方法是：在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的塑料外殼時(shí)采用三次元CAD，模具設(shè)計(jì)CAD、CAE等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品的外殼進(jìn)行注射流動(dòng)性分析，應(yīng)力分析以及模具冷卻狀況分析，并利用非線形分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。為了防止產(chǎn)品外殼在跌落后產(chǎn)生應(yīng)力集中和翹曲變形等，要增設(shè)筋板和凸臺(tái)、優(yōu)化壁厚，使外殼在受沖擊時(shí)應(yīng)力分布均勻。外殼的壁厚并不是任何部位都相等的，與發(fā)生跌落或沖擊時(shí)的應(yīng)力分布相對(duì)應(yīng)來(lái)確定各部位的壁厚以及力口強(qiáng)筋的分布和形狀，在不增加材料使用量的基礎(chǔ)上，謀求提高產(chǎn)品外殼強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法。
由于塑料外殼的壁厚不等，冷卻速度不同，可能造成局部有缺陷或翹曲變形等，應(yīng)對(duì)使用塑料原材料的流動(dòng)性以及冷卻后的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。上述各步大部分可由計(jì)算機(jī)分析計(jì)算軟件完成。通過(guò)軟件重點(diǎn)解決各種殼體的受力分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、最輕重量設(shè)計(jì)等，一般是作承受幾種獨(dú)立載荷影響情況下的設(shè)計(jì)。如在日本廣泛使用的設(shè)計(jì)軟件是非線形變化結(jié)構(gòu)分析軟件（PC/LSDYNA3D）。
圖1是電視機(jī)殼體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況。利用有限元法，殼體被理想化為一組三角形薄膜元素，其中，每個(gè)元素都認(rèn)為是等應(yīng)變狀態(tài)，相應(yīng)凸棱只受軸向載荷。單個(gè)薄膜元素的厚度和單個(gè)凸棱元素的斷面積規(guī)定是均勻的，用直接剛度（位移）法分析理想化結(jié)構(gòu)，平衡方程用整塊松弛法迭代求解。由于在兩次分析之間設(shè)計(jì)參數(shù)的變化通常是較小的，所以，這種迭代法在優(yōu)化問(wèn)題中常被證明是很有效的。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中[2]應(yīng)用有限元理想化時(shí)，設(shè)計(jì)變量的數(shù)量很容易變得很多，因而只采用有限數(shù)量元件（位置）的厚度代替殼體的厚度分布，程序用線性?xún)?nèi)插法自動(dòng)地求出其它一些元件（位置）的厚度。這樣可以減少運(yùn)算工作量，而對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。
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