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新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 摘要 目前，国内外出现两种不同的能源政策导向，一是鼓励开发、利用替代 石化能源的新能源；二是倡导节能降耗，致力于节能技术与节能产品的研发。 太阳能光伏产业作为新能源战略之一，在各国政策的扶持帮助下得到迅猛、 快速地发展。新能源产品自身特点与装箱特性，对物流运输和包装设计提出 了新的要求快速装箱、可重复开箱( 有限次数) ，此已成为继安全性、 可靠性大之后首要解决的问题。传统的包装方式无论是在操作可行性、成本 节约、还是可循环使用等方面，均不能满足产品对包装的要求。 本文基于产品设计方法学中组合式设计思维与可拆卸的设计理念，结合 包装容器设计原则，分析外包装容器结构设计。对某包装公司开发的胶合板 箱进行分析和再设计，可拆卸，分离简单快捷，易于组装的外包装设计，不 仅为组件包装提供最佳的包装方式，而且在物流运输、仓储、成本控制方面 发挥着重要作用。采用绳索的包装箱体紧固方式，不仅可以减少开箱时间， 还能避免螺钉紧固时对人力、财力的浪费，减少螺钉作业对人的伤害，为装 箱工人提供人性化的操作空间。 本文的研究内容主要分为以下几方面： 首先，运用s o l i d w o r k s 软件对组件包装件进行实体建模，将模型输出 为xt 文件并导入a n s y s l s d y n a 中进行参数设置。 其次，运用a n s y s l s - d y n a 有限元分析软件建立目标跌落面并对目 标跌落面进行参数设置跌落高度、重力加速度、跌落初速度、跌落方向 等进行程序求解，对太阳能运输包装设计中缓冲结构进行分析。基于产品冲 击理论，分析组件包装跌落冲击作用对缓冲垫的影响，通过分析衬垫的位移 时间函数以及应力应变等效云图，为e v a 缓冲材料在实际应用中提供选材与 使用的数据支持。 再次，结合堆码实验结果与有限元分析数据，对6 m m 杨木胶合板箱顶 板承载能力进行评估，得出6 r a m 杨木胶合板在在最大堆码5 层，储存一周 的情况下，不能满足堆码所要求的强度，对内装物的保护性能差，应采用其 他方式提高顶板的耐压强度。 最后，基于绿色包装结构设计原则，选用回收重用的“利乐包 再造板 材作为托盘上铺板和下铺板，利用a n s y s 有限元分析软件对联运t p 3 结 构托盘静载与仓储状态进行力学分析，并基于价值工程理论对塑木托盘方案 进行分析，为消除过度包装，达到控制成本，提供了可行的理论指导方案。 关键词：可拆卸设计，c a e 分析，太阳能组件，e v a 橡塑制品，价值工程 d e t a c h a b l et r a n s p o r tp a c k a g i n gd e s i g na n dc a ea n a l y s i s o fn e w e n e r g y p r o d u c t s a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h e r e a r et h ed i v e r s ep o l i c yo r i e n t a t i o n sf o re n e r g yr e s o u r c ea t h o m ea n da b r o a d t h a ti s ，o n ei st oe n c o u r a g et h em a n k i n dt oe x p l o i tn e wt y p e o fe n e r g ys o u r c et os u p e r s e d et h ec o n v e n t i o n a lf o s s i lf u e l s ，t h eo t h e ri st o a d v o c a t ee n e r g y - s a v i n g a n d a d d r e s st h e m s e l v e st o d e v e l o pe n e r g y - s a v i n g t e c h n o l o g ya n de n e r g y s a v i n gp r o d u c t s a so n eo ft h en e we n e r g yi n d u s t r i e s ， s o l a re n e r g yi n d u s t r yh a sg a i n e dag r e a ts t r i d ew i t ht h eh e l po ft h eg o v e r n m e n t t h ea t t r i b u t e so ft h e p r o d u c ta n d i t s p a c k a g i n gb r i n g f o r w a r dt h en e w r e q u i r e m e n t su p o nl o g i s t i c sa n dd i s t r i b u t i o na sw e l la sp a c k a g i n gd e s i g nd u e t o t h ef a c tt h a te n c a s i n gq u i c k l ya n do p e n i n g & c l o s i n gt h ec a s e sf o rt 1 1 es p e c i f i c t i m e sh a v eb e c o m et h ep r i m ei s s u e ，f o l l o w i n gt h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t y 1 1 1 e t r a d i t i o n a lp a c k a g i n gd e s i g n s ，h o w e v e r , c a l ln o tm e e tt h en e e do fp r o d u c t s d e m a n do np a c k a g i n gi no p e r a t i n gf e a s i b i l i t y , c o s t - s a v i n g s ，r e c y c l i n ga n d s oo n g r o u n d i n go n s u c hd e s i g nt h o u g h t sa st h em o d u l a rd e s i g n sa n dt h e d e t a c h a b l ed e s i g n si np r o d u c td e s i g nm e t h o d o l o g y , a sw e l la st h ed e s i g n p r i n c i p l eo fp a c k a g i n gc o n t a i n e r s ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h e s t r u c t u r a ld e s i g no ft h e t h ed i s m o u n t a b l ep a c k a g ,characterizedexterior p a c k a g i n gc o n t a i n e r s h ed i s m o u n t a b l ep a c k a g e sa r ec l l a r a c t e r l z e a 。o y t h er a p i ds e p a r a t i o na n de a s ya s s e m b l a g e ，t h u sn o to n l yp r o v i d i n gt h ep r o d u c t s w i t l lt h eo p t i m u mp a c k a g i n gs t y l e s ，b u tb e i n go fs i g n i f i c a n c ei nl o g i s t i c s ， d i s t r i b u t i o n ，s t o r a g ea n d c o s tc o n t r 0 1 i nt h et h e s i s ，t h ea u t h o rb a s e st h em o d u l a rd e s i g nm e t h o do nt h ea n a l y s i s a n dr e d e s i g no fp l y w o o db o xd e v e l o p e db ys o m ep a c k a g i n ge n g i n e e r i n gc o ， l t d a n dp u tf o r w a r dt h ew a yt of a s t e nt h eb o xw i t hr o p e ，w h i c hc a nn o to n l y r e d u c et h eb o x o p e n i n gt i m e ，b u ta l s oa v o i dt h ew a s t eo fh u m a na n df m a n c i a l r e s o u r c e i na d d i t i o n , t h ea b o v e m e n t i o n e dd e s i g nc 锄a l s or i dp e o p l eo ft h e i n j u r yr e s u l t e df r o mt h eo p e r a t i o no fs c r e w sa n do f f e ra ne n c a s i n go p e r a t o rt h e w o r k i n gp l a c e n ec r i t i c a lc o m p o n e n t so ft r a n s p o r tp a c k a g i n gf o rm es o l a r c e l l sa r e i r i n v e s t i g a t e dv i aa n s y s ，a f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e i nl i n ew i t ht h em e c h a n i c a l s h o c kt h e o r y , t h ea u t h o re x p l o r e st h ei n f l u e n c eo ff a l l i n gd r o po fp a c k a g e d p r o d u c tu p o nt h ec u s h i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd i s p l a c e m e n tv s t i m ea n d v o n m i s ec o n t o u ro fs t r e s sv s s t r a i n ，t h ed a t af o rt h es e l e c t i o na n dt h eu s a g eo fe v a ， o n eo fc u s h i o n i n gm a t e r i a l s ，i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o na r eo b t a i n e d c o m b i n i n g t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ho n e sf r o m f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ea u t h o r c o n c l u d e st h a tt h i sp o p l a rp l y w o o db o xw i t l l6 m mt h i c kc a n n o ts a t i s f yt h e s t a c k i n gs t r e n g t hw h e ni ti ss t a c k e d5l a y e r sw i t h i naw e e k , l e a d i n gt ot h ef a c t t h a tt h ec o n t e n t sc a n n o tb ep r o t e c t e dw e l l ，t h e r e f o r et h eo t h e ra d d i t i o n a lm e t h o d s m u s tb eu s e dt oe n h a n c et h ev a l u ec o e f f i c i e n to fp a c k a g e sa f t e re s t i m a t i n gt h e l o a d i n gc a p a c i t yf o rt h et o pb o a r dm a d eu po fp o p l a rp l y w o o db o xw i t h6 m m t h i c k f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np r i n c i p l eo fg r e e np a c k a g i n gs t r u c t u r e ，t h e a u t h o rc h o o s e st h er e c y c l e dp l a n kf r o m t e t r a p a k a st h et o pa n db o t t o mb o a r d s o fp a l l e t b e s i d e si t ，t h ea u t h o rc a r r i e so u tt h em e c h a n i ca n a l y s i sc o r r e s p o n d i n g t ot h es t a t i cl o a do fp a l l e ti ns t o r a g e ，i n c l u d i n gt h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e np a l l e t c o s ta n di t sf u n c t i o na n dt h ee v a l u a t i o no ft h eo p t i m u ml o a d i n ga l t e r n a t i v ef o r t h et o pb o a r da n dt h ea p p l i c a t i o no fp l a s t i c w o o dp a l l e tb a s e do nv a l u e e n g i n e e r i n gt h e o r y , t h u sp r o v i d i n gt h et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o re l i m i n a t i n g o v e r - p a c k a g i n ga n dr e s t r a i n i n gc o s t k 卫y w o r d s ：d e t a c h a b l e r u b b e r i z e dp l a s t i cp r o d u c t s ， d e s i g n ，c a ea n a l y s i s ，s o l a rm o d u l e s ，e v a v a l u ee n g i n e e r i n g i v 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 研究背景 世界能源形势紧迫，是世界十大焦点问题( 能源、水、食物、环境、贫穷、恐怖主 义和战争、疾病、教育、民主和人口) 之首。能源面临枯竭一直是各国政府乃至全球各 个组织试图以新能源替代传统非可再生能源( 石化资源) 的研究起点。太阳能作为最具 发展潜力的清洁能源，是取之不尽用之不竭的可再生能源，是能源可持续发展的战略选 择之一。能源危机与环保压力使新能源研发与利用得到世界各国特别是发达国家的高度 重视。近几年，我国出现“油荒”和“气荒 以及高油价等现象，更加重了人们对能源 危机的担心，促使我们更加关注世界能源的供需现状和趋势。 目前，新能源市场成空前繁荣的景象，各政府通过一定的政府干预来协调宏观调控 与市场机制的关系并制定相关政策，以促进新能源和节能产业的发展。以风能、太阳能 为代表的新能源，逐渐渗透在各行各业，并展现出无限的发展空间和绿色、低碳的生活 向导。 中国光伏产业的发展如火如荼，短短几年时间，从一个不为人知的行业发展成各大 企业纷纷涌入的新兴朝阳性产业，目前中国的组件生产量已经超过全球的1 3 ，成为世界 第一大生产中心。太阳能电力系统以其供电稳定可靠、安装方便、操作、维护简单等特 点，已得到越来越广泛的应用，是常规电力的一种补充和代替。太阳能并网发电系统将 太阳能转化为电能，并直接通过并网逆变器，把电能送上电网，由于不需要蓄电池，其 成本更低，系统运行寿命更长，是太阳能光伏发电的发展方向，代表了2 1 世纪最具吸引 力的能源技术。现在，大规模利用太阳能并网发电在许多发达国家已成为现实。 新能源产品的日益繁盛，开辟了产品链终端的物流业的业务范围，也推动了太阳能 组件包装产业的发展。晶体硅与薄膜太阳能光伏电池的产品特性与发展情况，也影响着 包装设计与物流运输的发展趋势。 1 1 2 研究意义 无论是晶硅太阳能电池还是非晶硅薄膜组件，产品的自身属性对可快速组装、装箱、 工业化、批量化的整体包装设计的需求日益明显。在世界经济日趋全球化的今天，保证 太阳能组件在运输过程不发生损坏，为确保包装产品系统的结构完整性和性能有效性， 以及完好无损地到达目的地，在进行包装设计时，不仅要求包装结构设计的可靠性，而 且要求从产品全生命周期的角度，对包装材料、包装方法及技术和包装结构进行分析， 消除潜在的环境负面影响，实现绿色包装可持续发展。 。 陕西科技大学硕士学位论文 太阳能产品高效率的自动生产线，要求物流运输相配套的包装服务具有快速包装与 易于仓储的特点，以保证生产结束便能进入物流运输、发货的状态，减少产品的仓储时 间而降低仓储成本。就传统木箱而言，虽然木箱的强度高，便于机械产品的装箱和固定， 但其易干燥干缩变形，钉钉时开裂，材料利用率低，开箱困难，空箱的重量和体积大， 不便于运输和仓储的特点。因此，选择木箱包装设计，无论在成本控制、装箱便捷性、 集装箱空间利用率还是箱体印刷等方面，显然不能满足太阳能产品的运输。 某包装公司研发设计的胶合板箱为太阳能产品的运输提供完整的包装解决方案，其 是以钢带为连接件，舌片为锁紧装置，可拆卸组装、可有限重复使用的胶合板箱，具有 坚固、耐用、轻巧、美观，便于运输、存储且重复使用等优点。不同功能胶合板箱与不 同的锁紧装置的完美配合为运输物流提供可拆卸组装的绿色包装方案，见下图1 1 所示。 可拆卸设计为太阳能组件的运输提供人性化的作业容器，其可拆卸、组装、无需钉钉的 箱体，大大降低了操作人员的工作强度，进而提高装箱效率。 图卜1 胶合板箱 f i g 1 1p l y w o o db o x 目前，国内外包装箱的设计、研发和使用，主要依赖于传统的试装和实验的方法判 断包装方案的可靠性，无法直观地判断设计中是否存在过度包装。传统缓冲结构设计多 凭借经验进行设计，然后采用试验验证的方法对设计进行改良与改进，方案设计周期长， 且重复性大。基于c a e 分析技术在不同材料的缓冲结构设计中应用，可以极大地丰富材 料的力学性能数据库，为其他用户的选材和设计提供数据，客户可直观的对包装设计做 出判断与评价。 1 2c a e 在运输包装设计中的应用 随着计算机辅助工程技术的发展与缓冲包装设计理论的不断完善，运输包装设计方 法也趋于科学、合理。传统的包装设计方法，要达到理想的运输包装设计目标，必然花 2 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 费大量的人力物力和财力。运输包装c a d 能显著缩短设计周期，提高工作效率和质量。 基于c a e 分析技术在不同材料的缓冲结构设计中应用，可以极大地丰富材料的力学性能 数据库，为其他用户的选材和设计提供数据，同时合有限元分析软件对外包装箱顶板承 载面进行力学性能分析，为用户提供整体包装方案的c a e 分析，用户可直观的对包装设 计做出判断。 在近年来运输包装理论与技术发展，主要涉及产品脆值合理化、运输包装可靠性、 运输包装计算机辅助工程设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 、计算机辅助分析 ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) 和计算机辅助测试( c o m p u t e ra i d e dt e s t i n g ，c a t ) 等，其中在缓冲包装的计算机辅助设计技术、各类线性和非线性缓冲包装系统的冲击和 振动响应分析、缓冲包装系统分析设计模型、缓冲包装概率设计方法等领域，取得了一 系列重要成剽副。 郭彦峰，王宏涛1 - 1 等在缓冲包装设计“六步法中融入适度包装和环境保护理念， 研究适度包装评价体系，以提高产品包装系统的可靠性、方便性、环保性与经济性。同 时，周明砚【z 1 提出引入可靠性理论研究缓冲包装的设计问题，可靠性理论与方法能够客 观的反映外界激励和结构性能的变化，使缓冲包装更经济、适用。张改梅，金国斌【3 t 4 1 开发了缓冲衬垫的c a d 软件，龙盛掣5 】运用有限元法对缓冲包装的结构进行分析，通过 静态压缩仿真分析，得出了载荷一应变曲线。华丽【6 】基于a n s y s l s d y n a 对洗衣机运 输包装进行跌落仿真。张允峰等【7 】将人机工程与物流运输包装设计有效结合，运用“以 人为中心”的现代物流运输包装设计方法进行包装设计，使得包装在搬运、装卸、运输、 储存等降低对操作人员技能的要求。宋洪霞【8 l 基于价值工程理论及微观经济学的科学理 论，建立了一个理论上的过度包装评价体系。王振林提到在实际设计使用的缓冲衬垫的 厚度有限，在对包装件的测试( 冲击、跌落等) 时产品受到的冲击引起材料变形超过一 定极限时，产品可能由于材料“硬化 而导致响应加速度急剧增大，从而导致破损【9 】。 m g r u j i c i c b p a n d u r a n g a 和t j h o l m q u i s t ，g r j o h n s o n 等用弹丸对玻璃材料 进行了冲击实验，并运用有限元方法进行了数值模拟【l 叫l 】，在太阳能组件主体钢化玻璃 的研究中，安二峰d 2 等人对典型玻璃材料冲击力学性能进行研究，通过实验可知随着压 力的升高，在5 0 0m p a 附近钢化玻璃出现类金属性质的屈服平台。同时在e v a 橡塑制 品的研究中，王文福【1 3 】阐释了其成分乙烯( e ) 和醋酸乙烯酯( v a ) 共聚物中两种的 关系，为e v a 的使用提供指导，其在精密零件的包装运用的较多。 1 3 运输包装设计任务 运输包装作为包装工程的一个分支学科，主要研究在流通过程中引起包装件损坏的 各种危害，研究造成这些危害的多种因素和将损坏减少到最低程度应采取的技术或管理 手段。其最基本目的是保证产品在投入使用时能执行其预定的功能与运输便捷性。在运 陕西科技大学硕士学位论文 输过程中，包装设计不仅要防止产品因振动、冲击产生损坏，而且要防止盗窃及自然界 的有害影响。 运输包装设计任务以安全为核心，以成本为结构优化控制手段，通过试验以及c a e 分析等方式对设计方案进行评价与优化。包装设计的主要内容有：1 设计性能可靠、安 全的运输容器，保证内装物在运输环节中不发生功能损失，且尽可能的保证运输容器不 生破损。2 包装集装化，提高物流效率与节约包装成本，3 研究运输工具的最大装载量 与实际装载的差异，使装载量最大化，从而有效控制运输成本，4 以流通过程为系统， 研究包装件在该系统中各种环节的特性，优化设计方案。 1 4 包装容器设计原则 包装纳入物流系统之中，是现代物流的新观念。包装作为物流系统的构成要素之一， 与运输、仓储、搬运、装卸等均有十分密切的关系。同时内包装物的结构特性与属性决 定着包装的设计形式。从物流的角度看，包装不仅是生产的继续，更是物流的起点。物 流合理化要求包装具备标准化、成本低廉化合理化、运输包装集装化绿色化、智能化特 点。 在包装容器的设计时，遵循国际上运输包装容器设计原则标准化、系列化原则； 集装化、大型化原则；多元化、专业化原则；通用化、联运化原则；经济化、科学化原 则【1 4 1 ，以便于包装设计的模块化、统一性。包装尺寸与货物流通有关的一切空间尺寸的 规格化、标准化可以提高物流效率，其中空间尺寸包括铁路货车、载重汽车、船舶、集 装箱等运输设备的载货空间尺寸，以及仓库、零售商店的存储空间大小等，标准化尺寸 可以减少用户停机调整规格的时间，提高生产效率，标准化尺寸便于包装自动化，节约 成本。同时，同规格箱体的堆码可以降低对顶板强度的要求。 在运输包装容器的设计时，应更多考虑人一机环境之间的关系，运输包装作业自 动化、智能化就目前而言还尚未普及，装箱作业以及厂内中转作业都需操作人员协助下 完成。在设计包装器具和企业搬运设备时，必须了解物品的灵活性。改善搬运作业、物 料的活性系数是度量物料流动难易程度的指标【l 引。因此，包装容器设计也需要从人机工 程学的角度，分析内装物的活性与操作人员的易操作性，使得装卸作业流程人性化且易 操作。人机工程学在容器设计中的应用，使设计更科学，提高操作人员的工作效率。 1 5 本论文研究的主要内容 基于上述学者在运输包装设计的研究，本文对太阳能光伏产品( 大组件产品) 的包 装设计进行研究，利用a n s y s l s d y n a 有限元分析软件对整体缓冲系统设计进行结构 分析以及数值模拟，分析包装方案的可行性。同时，结合堆码实验与顶面承载试验c a e 分析对外包装箱顶板的承载能力进行分析，为胶合板箱体顶面承载能力以及不同结构对 4 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 堆码影响提供数据。最后，基于绿色设计与价值工程理论对运输包装设计进行评价。 本文的主要内容有： ( 1 ) 基于可拆卸设计理念与人机工程学提出太阳能组件整体包装方案。 ( 2 ) 基于产品跌落冲击理论，利用有限元分析软件a n s y s l s d n y a 显式动力分 析程序分别对产品缓冲系统在运输过程中的跌落与冲击进行分析，研究e v a 缓冲衬垫的 跌落冲击过程中应力应变，对方案的合理性进行评估。 ( 3 ) 结合顶面承载实验的结果与c a e 分析数据，对箱体顶板承载能力进行判判断， 为物流运输中的混合堆码提供数据支持。 ( 4 ) 基于绿色包装设计理念对回收再用的“利乐包”塑木板材的力学性能分析，为 工业托盘用材与选材提供支持，同时研究包装设计中成本与功能之间的关系，为设计改 进提供理论依据。 5 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 2 太阳能组件运输包装方案设计 太阳能电池板是一种将光能转化为电能的半导体光伏器件，当光照射到扩散后的半 导体( 硅) 表面时，在p n 结处形成电压，通过正反面印刷的电极输出电流，此即所谓 的光生伏打效应。太阳能电池板组件在温度4 0 一+ 8 5 ，承受小于2 0 0 0 p a 雪压与 3 0 0 0 p a 风压的环境下正常使用2 5 年以上。利用可靠的焊接技术、高真空加热层压工艺 及配备经阳极化处理的铝合金边框、水密接线盒使得太阳能电池板组件具有很高的抗紫 外线老化和抗风强度。产品良好的耐候性、防风、防雹、有效抵御湿气和盐雾腐蚀性， 可知产品的脆值很高，如图2 1 太阳能组件产品所示。 图2 - 1 太阳能组件产品 f i g 2 - 1s o l a rp a n e lw i t hf l a m e 非晶硅( a - s i ) 太阳电池是在玻璃( g l a s s ) 衬底上沉积透明导电膜( t c o ) ，然后依次用 等离子体反应沉积p 型、i 型、n 型三层a - s i ，接着再蒸镀金属电极铝( 趾) 光从玻璃面 入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为g l a s s t c o p i n a l ，产品厚度 t = 7 m m 左右，整体成薄片结构，从产品的结构特性上判断，产品可以简化为7 m m 的钢 化玻璃，如图2 2 所示。 根据产品的自身特性，可以判断产品自身的强度要比包装箱的强度要大，所以在进 行包装设计时，进行逆向主客互掉思维，如图2 3 包装箱为研究对象流程图，充分考虑 组件在整个运输过程中流通环节，对运输环节中包装箱可能发生破损的薄弱环节进行加 强设计，确保整体包装在运输过程中不会发生破损，进而对内包装件起到保护、运输的 功能，使终端客户能直观认识到包装的可靠性。 7 陕西科技大学硕士学位论文 蓑 链 驾 蕃 篓 图2 - 2 薄膜产品 f i g 2 2f i l m s 图2 - 3 包装设计流程图 f i g 2 - 3f l o w c h a r to fp a c k a g i n gd e s i g n 2 1 绿色包装设计 贸易的国际化是现代社会经济发展的特点，包装设计也要适应这种国际发展的趋势。 包装既要使商品在流通中不受各种不利环境因素的影响，还要适应现代标准化的集装、 存储、运输以提高效率。 包装设计作为工业设计的分支，在绿色设计的5 r 1 d 原则同样适用于包装设计【l 引， 按目前世界上公认的标准，绿色包装的内涵主要是“3 r 1 d ”，即遵循减量化( r e d u c e ) 、 易于重复利用( r e u s e ) ，易于回收再生( r e c y c l e ) ，易于降解腐化( d e g r a d a b l e ) 的原则。 在运输包装设计方案的评价过程中，绿色设计应作为继安全、可靠之后最为重要的评价 因素，制约并促进绿色工程的顺利进行。 囤 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 二是一个繁复的系统工程1 1 7 】，主要从以下几点进行绿色包装设计：l 材 l 装轻量化，3 可重复使用r e u s e 1 s 】。合理合度是绿色包装设计的基本 ! 绿色包装设计的辩证之思，天人合一是绿色包装设计的终极追求。 。体现绿色设计理念，主要表现为可重复使用与高效的运输装载率，降 i 卸性设计i io ( d e s i g nf o rd i s a s s e m b l y ，d f d ) 是在产品设计初期将可 i 标而展开的设计活动。根据功能目标函数的不同，d f d 在设计中主要 i 向产品回收( d e s i g nf o rr e c y c l i n g ，d f r ) 的可拆卸性设计，d f r 注 j 用。另一个是面向产品维修( d e s i g nf o rm a i n t e n a n c e ，d f m ) 的可拆 重提高产品的可维护性。可拆卸设计是对组装与拆卸的过程化设计，是 巧”设计。对于设计一种易于装配又易于拆卸、可重复使用的包装设 ；统工程，需要考虑材料选择、结构易装配性以及连接件等很多问题。 奎克( d a v o dk a w e c l ( i ) 设计的“谜题”扶手椅，将椅子分成7 部分， i 精确的接口进行连接，不连续的部件利用激光切割工具从一块平板上 9 陕西科技大学硕士学位论文 图2 - 5 可拆卸箱 f i g 2 5d e t a c h a b l eb o x 图2 - 6 锁紧装置 f i g 2 6l o c k i n g t o o l 2 2 基于人机工学对组件外包装容器的作业要求 一个优良的作业空间或作业场所，必须能便于迅速的完成作业，同时也可以使作业 操作更安全可靠、舒服方便【2 0 1 。在包装作业时，主要涉及人在站姿活动空间时，对作业 1 0 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 空间以及操作平台的要求。根据站姿单臂作业近身空间可知，手臂在高度方向上的可触 及的范围为0 到2 0 0 c m 。双手提重物的最佳高度双臂自热下垂位置到腰的位置。 如果选择传统木箱结构作为外包装箱，由于包装件高度h i 米，操作人员在搬运组 件装箱时，就需要长时间抬举以便能够完成作业，这样包装作业与人机最佳的作业空间 相背离，形成超负荷作业而引发疲劳，进而影响装箱效率。如图2 7 立姿屈臂操纵力的 分布所示。 图2 7 立姿屈臂操纵力的分布 f i g 2 - 7d i s t r i b u t i o no fo p e r a t i n gf o r c ef o rs t a n d i n gp o s t u r e 从图中可知，前臂与上臂的夹角约为5 0 。时，上臂的操纵力已只有2 4 4 ，在夹角 7 0 。时，操纵力最大，在夹角为1 1 0 。时，操纵力为5 3 。因此在包装装箱作业时，应考虑 人在站姿作业时，人体各部分的最佳活动范围，使包装设计适应于人的操作，提高作业 效率。 对于组件批量装箱作业，超过了人的“疲劳极限”，则容易造成肌肉拉伤或疲劳，损 害人体健康，同时还会造成野蛮装卸现象【2 l 】。晶硅太阳能电池与薄膜产品片状结构( 单 品重量w 砣s k g ) ，如果选择平行于箱底的包装设计，固定在箱板上缓冲材料槽或结构较 为复杂、力学性能要求高，同时增加装箱复杂程度( 单片逐一插入抽屉设计中) 。因此选 择单片竖着放置在包装箱内，操作工人只需按照托盘上缓冲垫的限位尺寸，即可容易完 成包装箱的组装。通过分析可知，传统的木箱制作材料利用率低，开箱困难，空箱的重 量、体积大且不便运输：箱体的组装方法采用钢钉或是螺栓紧固，人在完成装箱作业之 后，需要花费很长时间进行封箱作业，不适合批量包装。如表2 1 所示，紧固件连接分 陕西科技大学硕士学位论文 离时间。 图2 - 8 薄膜组件的装箱 f i g 2 - 8e n c a s i n go fs o l a rp a n e l 可拆卸的胶合板箱，融合组合设计方法与人机工程学的设计理念，设计出可拆卸组 装、方便、快捷、防盗可有限重复使用的箱体结构，如图2 - 9 所示。箱体整体设计可拆 卸的胶合板由钢带、各种锁紧装置紧固，有用户亲自组装。可拆卸组装的箱体结构，优 化了操作人员操作空间，使人体关节的活动可以在“可达 的活动限度内，自由调节使 操作活动在舒适范围内，体现了操作作业的人性化设计，避免因包装件高度的限制，而 产生的超负荷作业。胶合板箱体设计体现出可拆卸设计理念，并符合面向可拆卸的设计 特点，包装设计结构模块化、统一化的工业化特性以及可拆卸、操作简单快捷并且有限 次的重复使用、质量轻巧、易于印刷的板面，是其他外包装容器所不能替代的。两个被 紧固件连接的零件的分离时间统计如表2 。1 所示，从表中对比可知，卡扣开箱时间3 s ， 切断绳索的开箱时间为0 5 s 。 在装箱作业流程中，人的行为习惯与逻辑特性在开箱与封箱中应用，体现在“开与 关 的动作，应减少其他紧固步骤，降低操作人员对作业完成认识。在装箱作业过程中， 包装箱顶板的封闭紧固作业可以采用打包带、绳索类紧固，不仅缩短装箱时间，还能缩 短开箱时间，还能提高装箱效率。 1 2 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 图2 - 9 胶合板箱- e x p a k f i g 2 - 9p l y w o o db o x - e x p a k 表2 - 1 两个被紧固件连接的零件的分离时间 t a b 2 - 1t h es e p a r a t i o ni n t e r v a lo ft w op a r t st i e db yf a s t e n e r s 紧固件去除方式时间s 手动06 螺钉 电动螺丝刀015 手动 1 s 卡扣 用工具断开 3 手动 1 夹子 工具 2 手动打开，1 只手 3 黏合剂 手动打开，2 只手 1 用工具断开 2 切断绳索工具0 5 切断电缆工具025 分离电缆手动 1 5 2 3 整体包装方案 运输包装整体设计一般包括外包装箱、缓冲衬垫、托盘以及包装附件( 干燥剂、缠 绕膜，打包带等) 。太阳能组件运输包装整体设计包括三个模块的设计缓冲包装设计， 托盘设计与外包装容器设计。根据组件类产品的不同，包装设计方案共用两种：一是针 对组件边框晶硅产品的包装设计；另一种是对薄膜太阳能电池板的包装设计。 晶硅组件产品采用瓦楞纸箱( 或胶合板箱) 与纸护角的包装结构；薄膜产品采用胶 陕西科技大学硕士学位论文 合板箱与缓冲性能优良的e v a 或e p e 进行包装，整体包装方案如图2 一l o 、 2 1 l 所示。 图2 - 10 胶合板与纸护角( 晶硅) f i g 2 10p l y w o o da n dp a p e r c o r r i e rf o rs i l c o np r o d u c t 图2 - 1 l 胶合板与e p e ( 薄膜) f i g 2 - 11p l y w o o db o a r da n d e p ef o a m 2 4 缓冲结构设计方案 常用的缓冲材料有：泡沫塑料，气泡薄膜，碎屑状材料、橡胶以及纸板。由缓冲材 料的特性对比，可知e p e ，e p s ，e v a 的复原性和缓冲性能较好。但e p s 不耐多次冲击， 性脆，拉伸强度低。根据太阳能产品对缓冲材料的要求，在设计中选择瓦楞纸与e v a 。 1 4 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 瓦楞纸用于防止产品之间的摩擦与划伤，在设计中主要为e 楞纸板与护角的形式；而e v a ( e t h y l e n ev i n y la c e t a t e ) 是硬质、具有回弹力的聚酯酸乙烯脂乙二醇脂的泡沫塑料，既 可用于吸收冲击、缓减振动等场合，也可用于包装垫料元件，吸收包装件冲击力并承载 载荷，其防振性能与环保特性优于聚苯乙烯( 泡沫) 等传统包装材料，是出口产品的最佳 选择，e v a 主要用于精密仪器的缓冲设计，见图2 1 2 所示。 图2 1 2e v a 缓冲应用 f i g 2 - 1 2a p p l i a n c eo f t h ee v a 缓冲材料在受到冲击和振动的情况下，具备恢复原来尺寸和形状的能力，对冲击能 量具有良好的吸收性能，从而有效地减少传递到内包装产品上的冲击，大大减小了作用 在内包装产品上的外力，同时阻尼特性将材料的振动能力转化为热能和塑性变性能，形 成对振动的衰减，对内包装产品形成保护。基于包装动力学为理论基础的五步法【冽：缓 冲包装方案设计的流程为：确定流通环境，确定产品的易损性，选用适当的缓冲 垫，创造原型包装，试验原型包装。 目前，正在使用的缓冲方案分别为e v a 、e p s 以及瓦楞纸，如图2 1 3 、2 1 4 与2 1 5 所示。 陕西科技大学硕士学位论文 图2 - 13e v a 缓冲结构 f i g 2 - 13e v a c u s h i o ns t r u c t u r e 图2 - 1 4e p s 缓冲结构 f i g 2 - 14c u s h i o ns t r u c t m eo fe p s 1 6 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 图2 - 1 5 瓦楞纸缓冲结构 f i g 2 15c u s h i o ns t r u c t u r eo fc o r r u g a t e db o a r d 2 5 本章小结 可拆卸式外包装箱设计不仅可以满足太阳能产品对批量生产的要求，还可以重复开 箱、封箱重复使用。可拆卸“巧”结构的外箱，易于装箱操作，符合人机工程学对作业 要求的可操作性。通过对太阳能电池板运输包装方案分析得知，薄膜太阳能电池板运输 对缓冲包装设计强度要求较高，结构复杂。缓冲包装结构不仅要满足对薄板缓冲与保护， 还要保证装箱作业的便捷和易操作。 1 7 新能源产品可拆卸式运输包装设计与c a e 分析 3c a e 技术与a n s y s l s d y n a 的相关介绍 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) ，泛指包括分析、计算和仿真在内的一切研发活动， c a e 为支持从研究开发到产品检测整个生产过程的计算机系统。技术科学的交互性发 展、计算机智能化的不断提高、有限元算法的成熟以及各门实用科学的突发猛进，使c a e 走出原有的数值分析体系，给传统研发带来广度和深度的影响。作为分析手段，c a e 不 是孤立的，c a e 与c a d 密切相关。c a d 为c a e 提供几何数据，c a e 为c a d 提供更 新方案，c a d 是直觉的设计，c a e 给出评测和判断标准，并总结方法，两者一起，构 成产品研发( p r o d u c tr e s e a r c h & d e v e l o p m e n t ) 的内核。c a e 分析技术可以直观、科学 的评价对方案设计提供优化指导，在结构优化、成本控制方面发挥着重要作用。 c a e 作为一种数值模拟分析技术，逐渐渗透到各行各业，越来越受到工程技术人员 的重视。在引入c a e 之后，可以在产品开模之前，通过有限元分析软件对产品的力学状 态进行分析，如模拟自由下落( f r e ed r o pt e s t ) ，模拟冲击试验( s h o c kt e s t ) 以及应力 应变分析，振动仿真、温度分布分析等。它对教学、科研、设计、生产、管理、决策等 部门都有很大的应用价值，目前世界各国均投入了相当多的资金和人力进行研究。 a n s y s t 2 3 - 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