空氣柱襯墊緩沖性能研究

陳梓垠，王玉龍，梁秀

（1.武漢大學(xué)，武漢 430079；2.上汽大通汽車有限公司無錫分公司，無錫 214177）

空氣柱襯墊緩沖性能研究

陳梓垠1，王玉龍1，梁秀2

（1.武漢大學(xué)，武漢 430079；2.上汽大通汽車有限公司無錫分公司，無錫 214177）

目的 對空氣柱襯墊的緩沖性能進行分析研究。方法 通過動態(tài)壓縮試驗和應(yīng)力-能量法得到空氣柱襯墊最大加速度-靜應(yīng)力曲線，研究其動態(tài)緩沖性及承載力。結(jié)果 得到了空氣柱襯墊在不同跌落高度不同厚度的動態(tài)壓縮試驗曲線。 結(jié)論 材料緩沖性和承載能力均隨著厚度增大而加強，跌落高度增大，包裝件所受沖擊載荷也隨之增大。研究結(jié)果為進行合理緩沖包裝設(shè)計提供計算依據(jù)。

空氣柱襯墊；應(yīng)力-能量法；動態(tài)緩沖性能

Abstract: This paper analyzed mechanical properties for air tube pillow. To explore the performance of cushioning and bearing capacity for air tube pillow, the maximum acceleration - static stress curves of air tube pillow can be acquired by dynamic compression experiments and the stress - energy method. The dynamic compression test curves of air tube pillow at different dropping heights and thicknesses were obtained. Results showed that the performance of cushioning and carrying capacity of air tube pillow increases with the increase of thickness, the impact load of the package increases with the dropping height increasing. And the results can provide computation references to reasonable packaging design and application of products.

Key words: air tube pillow; stress - energy method; dynamic cushion performance

空氣襯墊是一種新型綠色緩沖包裝材料，由兩層塑料薄膜設(shè)計成一定寬度的氣室后，利用逆止閥將壓縮空氣注入腔室中，最后熱封成型。目前，相關(guān)學(xué)者對空氣襯墊的研究主要包括三類：一是對其材料、結(jié)構(gòu)、原理、環(huán)保等方面的理論研究[1-3]；二是對其進行模擬仿真分析等方面研究[4-11]；三是采用空氣襯墊對具體產(chǎn)品進行包裝并將其與原有包裝進行比較分析[12-15]。

因此，本文針對包裝用空氣柱襯墊設(shè)置動態(tài)壓縮試驗，分析不同規(guī)格參數(shù)的空氣柱襯墊緩沖防護特性的差異，并對其緩沖性能進行研究。

1 實驗

1.1 試驗標準

本文采用試驗標準為ASTM D1596-1997(2011)《Standard Test Method for DynamicShock Cushioning Characteristics of Packaging Material》。

1.2 試驗儀器設(shè)備

傳統(tǒng)測試方法中通常采用落錘沖擊試驗機，利用重錘對被測試樣進行沖擊。本次試樣為空氣柱襯墊，其自身特性導(dǎo)致自由跌落試驗無法實現(xiàn)。因此，本文選用MTS沖擊試驗機進行動態(tài)試驗，等效于對被測試樣實現(xiàn)自由跌落。

1.3 試驗材料

空氣柱襯墊：生產(chǎn)廠家為蘇州亞比斯國際企業(yè)有限公司，空氣柱襯墊充氣后初始規(guī)格及參數(shù)見表1?？諝庵∧げ牧蠟榫垡蚁?尼龍/聚乙烯三層材料共擠復(fù)合而成。

1.4 應(yīng)力-能量法原理

應(yīng)力-能量法是一種改進的繪制材料動態(tài)緩沖特性曲線方法。重錘進行跌落時，假設(shè)能量守恒，重錘產(chǎn)生的勢能全部轉(zhuǎn)化為材料吸收的能量。此時緩沖材料變形能可以用如下公式表示：

式中：E為動能量（kN/m2）；m為重錘質(zhì)量（kg）；g 為重力加速度（m/s2）；h 為跌落高度（mm）；A為緩沖材料表面積（m2）；s 為靜應(yīng)力（kPa）；t 為緩沖材料厚度（mm）；

材料動應(yīng)力與其加速度峰值關(guān)系如下：

式中：σ為動應(yīng)力（kPa）；G為加速度峰值（g）；

材料自身的緩沖特性隨著其成分和密度的確定也隨之確定。應(yīng)力-能量法理論中假設(shè)動應(yīng)力與動能量成指數(shù)關(guān)系，數(shù)學(xué)表達式為：

式中：a，b均為緩沖材料常數(shù)；e為自然對數(shù)的底；

令y=G*s；x=sh/t，則式（5）可變?yōu)椋?/p>

此式即為曲線法擬合數(shù)學(xué)模型。通過試驗獲得一系列相關(guān)數(shù)據(jù)，可將結(jié)果利用Matlab軟件進行擬合，從而可以預(yù)測不同厚度緩沖材料在不同跌落高度下其動態(tài)緩沖特性曲線。

1.5 試驗步驟

本文采用動態(tài)壓縮試驗對產(chǎn)品所遭受的沖擊破壞程度進行直觀表征，試驗結(jié)果用最大加速度-靜應(yīng)力曲線進行描述。為繪制該條曲線，至少需得到曲線上5個點的數(shù)值，即至少進行5組實驗且選擇不同跌落高度重復(fù)試驗。

試驗步驟如下：

（1）試驗樣品溫濕度預(yù)處理。參照GB4857.2-84相關(guān)標準，對試樣進行24h以上預(yù)處理。

（2）確定重錘質(zhì)量。本試驗參考其他文獻研究結(jié)論與相關(guān)試驗經(jīng)驗，確立多組靜應(yīng)力值，從而確定重錘質(zhì)量。

（3）選擇試驗?zāi)芰坑?，并設(shè)定一個步長，根據(jù)試驗條件選取幾個不同能量值。

（4）等效跌落高度。由公式（5）可知，針對每個能量值，當緩沖材料厚度和重錘質(zhì)量確定時，等效跌落高度也隨之確定。

（5）選擇被測材料并放置于試驗機臺面中心，材料上放置重錘。預(yù)先設(shè)置好重錘質(zhì)量，每一塊試樣連續(xù)試驗5次，繪制出所有試樣的加速度-時間曲線。

（6）更換不同重錘質(zhì)量和跌落高度，重復(fù)上述試驗。

2 試驗數(shù)據(jù)處理

實驗共進行五組，每組分別在三種不同重錘質(zhì)量和等效跌落高度下進行測試。試驗中記錄最大加速度，根據(jù)國家標準，最大加速度數(shù)值應(yīng)取5次連續(xù)沖擊中后4次試驗數(shù)值，對其取平均值。算出最大加速度均值后，根據(jù)公式（4）計算出相對應(yīng)的動應(yīng)力值，并算出每組的平均動應(yīng)力值及等效動能量。將得出的5組動能量-動應(yīng)力值代入公式（5）中，根據(jù)動能量-動應(yīng)力關(guān)系列表建立坐標系，利用Matlab軟件進行擬合求出公式中的a和b值，結(jié)果如下圖1，2，3。規(guī)格23-75指氣柱厚度為23mm，薄膜厚度為75μm。

由此得到三種不同規(guī)格空氣柱襯墊最大加速度-靜應(yīng)力關(guān)系式：

①規(guī)格為23-75空氣柱襯墊：

②規(guī)格為23-110空氣柱襯墊：

圖1 規(guī)格為23-75空氣柱襯墊擬合曲線

圖2 規(guī)格為23-110空氣柱襯墊擬合曲線

圖3 規(guī)格為32-110空氣柱襯墊擬合曲線

③規(guī)格為32-110空氣柱襯墊：

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣柱襯墊不同跌落高度下G-σst曲線

利用上式能夠預(yù)測厚度一定時，三種不同規(guī)格空氣柱襯墊從不同的高度跌落其動態(tài)緩沖特性曲線，如圖4，5，6。圖中數(shù)值是跌落高度，單位為m。

圖4 規(guī)格為23-75空氣柱襯墊不同跌落高度下G-σst曲線

圖5 規(guī)格為23-110空氣柱襯墊不同跌落高度下G-σst曲線

圖6 規(guī)格為32-110空氣柱襯墊不同跌落高度下G-σst曲線

3.2 結(jié)果分析

1）比較不同跌落高度空氣柱襯墊動態(tài)緩沖特性差異，如圖4-6：

a.不同跌落高度下曲線相近，類似于開口向上的凹形。隨著靜應(yīng)力增大，最大加速度G值先減小，達到極小值時再隨之增大。跌落高度較小時，當靜應(yīng)力取值增大，G值無明顯增大，曲線也較為平坦。b.跌落高度增加，曲線逐漸向左上方移動。可以理解為，當靜應(yīng)力取值一樣時，隨著所選取跌落高度值的增大，最大加速度G值也變大，即材料所受到的沖擊載荷增大。

2）比較不同薄膜厚度空氣柱襯墊動態(tài)緩沖特性，如圖4-5：

a.不同薄膜厚度的動態(tài)緩沖曲線形狀相似，即緩沖特性變化規(guī)律大體相同。b.隨著薄膜厚度的增加，曲線向右方移動。可認為當薄膜厚度增加時，試驗曲線中最低點處的σst值隨之增大。說明沖擊加速度值一樣時，試樣可以抵抗的沖擊破壞增大。

3）比較不同氣室寬度空氣柱襯墊動態(tài)緩沖特性，如圖5-6：

a.不同氣室寬度的動態(tài)緩沖曲線形狀類似，即緩沖特性變化規(guī)律大體相同。b.隨著氣室寬度的增加，曲線向下方移動。當σst取值一樣時，G值隨著空氣柱氣室寬度的增加而減小，且其G值的極小值也減小。可以認為，當遭受相同沖擊載荷作用時，氣室寬度增大，材料表現(xiàn)出較為優(yōu)異的緩沖特性。這是因為氣室寬度越大，氣柱內(nèi)所含氣體越多，當空氣柱襯墊受到?jīng)_擊作用時，所吸收的沖擊能量也越多。c.動態(tài)緩沖曲線隨著空氣柱襯墊氣室寬度增大而向右移動。氣室寬度增大時，曲線最低點處所對應(yīng)的σst值也隨之增大。說明當沖擊加速度相同時，材料所能承受的沖擊載荷隨氣室寬度的增加而增大。

4 結(jié)語

模擬包裝件在搬運過程中所受沖擊破壞，通過動態(tài)壓縮試驗和應(yīng)力-能量法得到空氣柱襯墊最大加速度-靜應(yīng)力曲線。試驗結(jié)果顯示材料緩沖性和承載能力均隨著厚度增大而加強；跌落高度增大，包裝件所受沖擊載荷也隨之增大，研究結(jié)果可為空氣柱襯墊緩沖包裝設(shè)計方案提供計算依據(jù)。

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Research on Cushioning Properties of Air Tube Pillow

CHEN Zi-yin, WANG Yu-long, LIANG Xiu

TB485.1

A

1400 (2017) 09-0051-05

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.09.004

武漢大學(xué)開放實驗項目（WHU-2016-KFSY-02）

陳梓垠（1995—)，女，湖北人，武漢大學(xué)碩士生，主攻運輸包裝。

王玉龍（1965—），男，江蘇人，武漢大學(xué)副教授，主要研究方向為運輸包裝、包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計。