淺析包裝動力學(xué)的發(fā)展與研究

卞玉玲

摘 要：運輸過程中所導(dǎo)致的沖擊和振動是引起產(chǎn)品包裝結(jié)構(gòu)破壞、產(chǎn)品破損的主要因素。人們一般通過尋求合適的包裝材料、設(shè)計可靠的包裝結(jié)構(gòu)來有效降低沖擊和振動對產(chǎn)品的損壞。包裝動力學(xué)通過研究包裝件對流通環(huán)境中的振動與沖擊的響應(yīng)，分析內(nèi)裝產(chǎn)品在流通中破損的原因，為緩沖包裝設(shè)計提供理論依據(jù)。對包裝動力學(xué)的發(fā)展與研究情況進行了淺析。

關(guān)鍵詞：包裝動力學(xué)；包裝運輸；脆值理論；產(chǎn)品破損理論

中圖分類號：TB485.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.044

產(chǎn)品從生產(chǎn)出來到開始使用要經(jīng)過一系列的運輸、保管、堆碼和裝卸等環(huán)境過程。為了保護其免受損壞，需要對其采取一定防護措施進行緩沖包裝。包裝動力學(xué)就是分析研究流通過程中的機械沖擊與振動在物體上產(chǎn)生的響應(yīng)和采取相應(yīng)保護措施的一門科學(xué)。

包裝動力學(xué)的研究目的是為了揭示物品在流通過程中的運動規(guī)律，為產(chǎn)品包裝設(shè)計、包裝材料選擇、運輸工具選擇等提供理論依據(jù)，從而達到減少運輸途中的貨損、降低成本等目的。

1 包裝動力學(xué)的發(fā)展概況

運輸過程中所導(dǎo)致的沖擊和振動是引起產(chǎn)品包裝防護結(jié)構(gòu)破壞、產(chǎn)品破損的主要因素，人們一般通過尋求合適的包裝材料，設(shè)計可靠的包裝結(jié)構(gòu)來有效降低沖擊和振動對產(chǎn)品的損壞。

從1945年Mindlin首次提出緩沖系數(shù)的重要概念到1968年Newton提出產(chǎn)品破損邊界條件理論，再到20世紀70年代末美國密歇根州立大學(xué)和MTS公司共同制定的緩沖包裝設(shè)計五步法，運輸包裝理論和技術(shù)蓬勃發(fā)展。近年來，計算機在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大地推動了包裝動力學(xué)理論的研究，研究的重點逐漸轉(zhuǎn)向更符合實際的多自由度系統(tǒng)和非線性緩沖系統(tǒng)。

2 包裝動力學(xué)的相關(guān)理論研究

運載振動和沖擊作用是包裝結(jié)構(gòu)破壞的主要因素。包裝界對產(chǎn)品包裝系統(tǒng)沖擊特性和破損評價方法主要采用脆值概念，認為產(chǎn)品破損失效與否主要取決于其承受的峰值加速度是否超過產(chǎn)品所能承受的極限值。Newton首先討論了沖擊譜與破損邊界的關(guān)系，給出將沖擊譜轉(zhuǎn)化成破損邊界的方法。一些學(xué)者針對產(chǎn)品脆值和破損邊界的測定方法及可靠性作了研究，建議用加速度脈沖的平均值代替幅值，Goff和Pierce建議采用半正弦脈沖來測定產(chǎn)品破損邊界。Burgess在線性累計損傷理論的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了產(chǎn)品塑性失效加速度、速度準則，建立了疲勞破損邊界新理論。Daum基于產(chǎn)品的塑性破壞模式，提出疲勞沖擊響應(yīng)譜的構(gòu)建方法。宋寶豐提出了基于沖擊譜的產(chǎn)品脆值新概念。Goodwin以柯達某款相機為例，實際測試了其疲勞破損邊界，驗證了疲勞破損邊界理論對塑性產(chǎn)品破損評價的有效性。王振林考慮到實際使用的緩沖墊厚度有限，當產(chǎn)品沖擊引起材料變形超過某一極限值時，產(chǎn)品由于材料“硬化”導(dǎo)致響應(yīng)加速度急劇增大，從而導(dǎo)致破損，提出位移易損度的新概念，建立了產(chǎn)品位移損壞邊界新理論。實際使用的緩沖材料大多具有明顯的非線性特征，王志偉采用統(tǒng)一的方法研究了各種典型非線性包裝系統(tǒng)在各種典型脈沖激勵下的沖擊響應(yīng)特征，同時得到了系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)譜和破損邊界，拓展了破損邊界理論的適用范圍。盧立新針對果蔬類產(chǎn)品的特性及允許一定損傷率的特點，提出跌落損傷脆值的新概念，構(gòu)建了果品類產(chǎn)品的損傷邊界曲線。

3 包裝件的振動研究

包裝件在流通過程中的振動情況很復(fù)雜，它與運輸工具（汽車、火車、飛機、貨船）、運輸環(huán)境（路面情況、接軌、風(fēng)浪）、包裝件（包裝材質(zhì)、包裝結(jié)構(gòu)形式、固有頻率）、載重質(zhì)量等情況有關(guān)。研究包裝件在流通過程中的振動情況，能夠便于確定運輸途中的主要貨損原因，為包裝設(shè)計和包裝測試提供重要數(shù)據(jù)。

近年來，越來越多的學(xué)者嘗試測定與分析運輸途中車輛的振動水平。試驗方法從以前的正弦試驗逐步發(fā)展到隨機試驗、正弦加隨機、隨機加隨機、沖擊響應(yīng)譜以及隨機信號的時域再現(xiàn)等諸多試驗方法。S.Otari建立了公路運輸振動加速度水平的統(tǒng)計分布模型（符合優(yōu)化后的高斯分布）； DavidShires 研究了隨機振動試驗中的時間壓縮產(chǎn)生的問題；陳家焱研究了多點激勵振動試驗系統(tǒng)的控制策略，提出采用偏相干殘差法進行多點激勵振動試驗控制系統(tǒng)頻響估計；朱學(xué)旺將結(jié)構(gòu)隨機振動應(yīng)力響應(yīng)的峰值概率分布通用關(guān)系應(yīng)用于疲勞損傷評估，進行了以疲勞損傷等價為基礎(chǔ)的隨機振動試驗；M.J.Lamb 使用基于短時的傅里葉變換、自適應(yīng)數(shù)字有限脈沖響應(yīng)濾波技術(shù)兩種技術(shù)評估典型包裝元素的機械性能，研究認為后一種方法是建立能承受持續(xù)隨機載荷能力的包裝結(jié)構(gòu)的有效工具。

4 緩沖包裝設(shè)計與模擬分析

緩沖包裝設(shè)計受到運輸環(huán)境條件、緩沖材料性能、緩沖襯墊幾何參數(shù)、產(chǎn)品脆值等許多具有隨機變化特性因素的影響，難以確切表征產(chǎn)品緩沖包裝的適合程度，特別是對于一些新型結(jié)構(gòu)性緩沖材料或緩沖件組成的緩沖系統(tǒng)，主要依靠結(jié)構(gòu)的變形吸收能量來承擔(dān)靜態(tài)和動態(tài)載荷，此類緩沖設(shè)計主要靠經(jīng)驗或仿制，可靠性只有通過破壞性試驗來評價，盲目性很大。

將ANSYS/LSDYNA軟件引入對緩沖包裝系統(tǒng)的模擬分析，能夠真實地模擬流通過程中的各種復(fù)雜碰撞問題，求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞和非線性動力沖擊問題，得到產(chǎn)品的響應(yīng)情況，進而完成對緩沖件的優(yōu)化設(shè)計，可大大減小設(shè)計的盲目性和設(shè)計周期。

5 結(jié)束語

在包裝動力學(xué)理論分析方面，脆值和產(chǎn)品破損邊界理論等研究已經(jīng)比較成熟，采取不同方法測定實際運輸振動沖擊數(shù)據(jù)也取得了一定進展，新型緩沖材料的研發(fā)一直是包裝領(lǐng)域的研究熱點，取得了一定的成果。隨著物流業(yè)的日趨繁盛，產(chǎn)品包裝需要滿足包括人機工程、環(huán)境保護、隔振抗摔、避免過度包裝等新的市場需求，這對包裝動力學(xué)的發(fā)展提出了新的要求，同時也開拓出新的發(fā)展空間。

參考文獻

[1]向紅，湯伯森.L-P攝動法在跌落沖擊問題中的應(yīng)用[J].振動與沖擊，2002，20（1）：39-42.

[2]王志偉.粘滯阻尼三次函數(shù)彈性緩沖包裝系統(tǒng)的跌落沖響應(yīng)[J].包裝工程，1996，7（3）：4-7.

[3]王志偉，武冬雁，錢靜.矩形脈沖激勵下正切型非線性包裝系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)[J].振動與沖擊，1999，18（3）：48-51.

[4]楊小俊，奚德昌，楊明濤.立方非線性包裝系統(tǒng)在基礎(chǔ)振動激勵下的響應(yīng)[J].包裝工程，2004，25（5）：134-137.

[5]陳泳斌，陳樹輝.非線性隔振系統(tǒng)的運動響應(yīng)和傳遞率[J].振動與沖擊，1998，12（4）：18-23.

[6]呂廣慶，王志偉.產(chǎn)品-包裝-運載體系統(tǒng)動態(tài)特性研究[J].包裝工程，2006，27（1）：115-118.

〔編輯：王霞〕