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［摘要］ 開發(fā)新產(chǎn)品時有必要根據(jù)包裝的需要設(shè)計結(jié)構(gòu)，并綜合考慮其包裝設(shè)計。即合理選擇原材料及結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品自身強度，減少緩沖材料使用量；簡化產(chǎn)品的包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少包裝對環(huán)境污染，降低包裝成本。這是一個多目標(biāo)，有復(fù)雜約束條件的問題，難于用常規(guī)優(yōu)化技術(shù)求解。文中通過實例說明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其包裝的實用優(yōu)化設(shè)計方法。
　　關(guān)鍵詞：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；緩沖材料；優(yōu)化設(shè)計
　　中國分類號：TB472；TB482　 文獻標(biāo)識碼：B　 文章編號：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

　　 我國包裝產(chǎn)業(yè)在過去的二十幾年中，得到了迅猛的發(fā)展，已成為世界上包裝大國之一[1]。隨著入世沖擊和綠色包裝浪潮的到來，針對包裝容器的可重復(fù)利用、減少包裝對環(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)，都在進行新型包裝設(shè)計方法的探索，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，我國目前的包裝產(chǎn)業(yè)還存在著許多問題，相對還有落后的一面。開發(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，減少由于包裝帶來的環(huán)境污染，是擺在我國包裝行業(yè)面前的一大課題。產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，進而對其包裝也進行優(yōu)化設(shè)計，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)計是一個多目標(biāo)，有復(fù)雜約束條件的問題，難于用常規(guī)優(yōu)化技術(shù)求解。可以首先假設(shè)每個目標(biāo)是獨立的，確定它的約束條件，初步求解設(shè)計變量，然后對所有目標(biāo)進行綜合考慮確定每個設(shè)計變量的值，反復(fù)修正，完成整體設(shè)計。如：根據(jù)某個目標(biāo)的設(shè)計變量x1、x2…xn，構(gòu)造一個目標(biāo)函數(shù)F（x），并確定限制設(shè)計變量取值的約束條件g（xi）≥0（i=1，2，…，m），問題就變?yōu)椋?BR>　　求解設(shè)計變量：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）
　　 文中通過實例說明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其包裝的優(yōu)化設(shè)計過程和方法。 
　　1　 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
　　 在設(shè)計生產(chǎn)某種產(chǎn)品時，人們往往只注意產(chǎn)品使用功能的設(shè)計，而對產(chǎn)品的包裝問題相對考慮的較少。為了減少緩沖材料的使用量，降低包裝成本，減少包裝帶來的環(huán)境污染，在設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的同時必須考慮產(chǎn)品的包裝設(shè)計問題。如何選擇該產(chǎn)品的原材料及設(shè)計結(jié)構(gòu)，才能夠簡化產(chǎn)品的包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、降低包裝成本、目標(biāo)是實現(xiàn)無緩沖材料包裝，或盡可能地減少緩沖材料的使用量。下面以電視機為例，說明如何進行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容。
　　 電視機的外殼起著對各種電器元件的支撐和保護作用。在設(shè)計電視機時，它的外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅要考慮正常使用時它對各種電器元件的支撐和保護作用，同時也要考慮在運輸過程中，外殼的強度、抗跌落、耐沖擊等性能。要在不增加塑料原材料用量的同時，提高外殼強度、抗沖擊及跌落強度。提高了產(chǎn)品本身的強度就可以減塵包裝中緩沖材料的使用量，那么怎樣進行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計呢？主要采取的方法是：在設(shè)計產(chǎn)品的塑料外殼時采用三次元CAD，模具設(shè)計CAD、CAE等進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，對產(chǎn)品的外殼進行注射流動性分析，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、優(yōu)化壁厚，使外殼在受沖擊時應(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)生跌落或沖擊時的應(yīng)力分布相對應(yīng)來確定各部位的壁厚以及力口強筋的分布和形狀，在不增加材料使用量的基礎(chǔ)上，謀求提高產(chǎn)品外殼強度的設(shè)計方法。
　　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)對使用塑料原材料的流動性以及冷卻后的應(yīng)力狀態(tài)進行分析。上述各步大部分可由計算機分析計算軟件完成。通過軟件重點解決各種殼體的受力分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、最輕重量設(shè)計等，一般是作承受幾種獨立載荷影響情況下的設(shè)計。如在日本廣泛使用的設(shè)計軟件是非線形變化結(jié)構(gòu)分析軟件（PC/LSDYNA3D）。
　　 圖1是電視機殼體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計情況。利用有限元法，殼體被理想化為一組三角形薄膜元素，其中，每個元素都認為是等應(yīng)變狀態(tài)，相應(yīng)凸棱只受軸向載荷。單個薄膜元素的厚度和單個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)計參數(shù)的變化通常是較小的，所以，這種迭代法在優(yōu)化問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，設(shè)計變量的數(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，程序用線性內(nèi)插法自動地求出其它一些元件（位置）的厚度。這樣可以減少運算工作量，而對優(yōu)化設(shè)計不產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。

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