關(guān)于大尺寸液晶顯示器紙漿模襯墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化探討

王寶年

（高創(chuàng)（蘇州）電子有限公司，江蘇 蘇州215299）

EPS目前在電子產(chǎn)品包裝中取得了良好的應(yīng)用，通常被用作為內(nèi)部緩沖襯墊。但這種材料具有一次性使用的特點(diǎn)，并且降解難度較高，容易對(duì)自然環(huán)境造成極為惡劣的影響。為此，相關(guān)行業(yè)人員經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，設(shè)計(jì)了一種紙漿模襯墊結(jié)構(gòu)，由于其具有環(huán)保穩(wěn)定的特點(diǎn)，故成為了EPS的有效替代品。在此背景下，對(duì)該課題進(jìn)行研究，其意義十分重大。

1 紙漿模結(jié)構(gòu)的緩沖機(jī)理

在紙漿模結(jié)構(gòu)緩沖襯墊之中，紙漿模凸臺(tái)是最重要的緩沖結(jié)構(gòu)，其會(huì)在載荷作用力下發(fā)生形變，在這一階段，存在一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的支持力，這個(gè)支持力對(duì)應(yīng)曲線峰值。

在明確紙漿模襯墊緩沖過(guò)程時(shí)，需要基于矩形凸臺(tái)，究其原因，主要是矩形凸臺(tái)的緩沖能力非常強(qiáng)，可以降低沖擊力，其之所以具備非常強(qiáng)的緩沖能力，主要是凸臺(tái)的4 個(gè)側(cè)壁，是主要承載位置，在實(shí)際加載階段，側(cè)壁會(huì)起到作用與受壓薄板大致相同，如下所述：（1）自加載開(kāi)始起，側(cè)壁就會(huì)逐漸變形，具體表現(xiàn)為彈塑性變形；（2）如果材料無(wú)法承受應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致凸臺(tái)損壞，并喪失功能[1]。

由此可見(jiàn)，凸臺(tái)變形是紙漿模起到緩沖作用的主要方式。據(jù)查閱相關(guān)資料得知，單凸臺(tái)和多凸臺(tái)的最大支持力存在顯著的差異，后者的最大支持力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。

2 包裝方式和跌落要求

2.1 包裝方式?，F(xiàn)階段，應(yīng)用最為廣泛的包裝方式為全面和局部包裝，從覆蓋面積上看，局部包裝無(wú)法與全面包裝相比較，具體表現(xiàn)為局部包裝僅能包裝產(chǎn)品的一部分。在包裝尺寸較小的產(chǎn)品時(shí)，局部包裝勉強(qiáng)適用，但在包裝大型產(chǎn)品時(shí)，局部包裝則無(wú)法起到作用，同時(shí)，全面包裝的效果也會(huì)大大折扣，究其原因，主要是大型產(chǎn)品的包裝成本較高，在紙漿模板制作尺寸上也存在限制。在這一背景下，提出了一種僅對(duì)產(chǎn)品四個(gè)角進(jìn)行包裝的折疊嵌套式紙漿緩沖結(jié)構(gòu)。

2.2 確定包裝的整體尺寸。大尺寸顯示器包裝由多個(gè)部分組成，分別為：（1）顯示器本體包裝；（2）瓦楞紙包裝；（3）紙漿模緩沖襯墊。將大尺寸顯示器的外部輪廓作為依據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)L形是折疊嵌套緩沖襯墊成型后的主要形狀。我們可以根據(jù)公式h=W-2H-L/2，計(jì)算局部緩沖襯墊的最大厚度。在這個(gè)公式中，W是外包裝的尺寸，H 是外包裝箱瓦楞紙厚度，而L是顯示器尺寸。

2.3 緩沖性能要求。大尺寸液晶顯示器跌落后，非常容易損壞，究其原因，主要是大尺寸液晶顯示器的脆值較小，故無(wú)法承受過(guò)高的加速度，簡(jiǎn)言之，脆值越高，產(chǎn)品受損的概率就越小，反之則亦然。沖擊脈沖形狀和持續(xù)時(shí)間同樣會(huì)對(duì)產(chǎn)品是否受損產(chǎn)生影響?；谄扑檫吔缜€理論，可以得知，包裝之所以能起到保護(hù)產(chǎn)品的作用，具體表現(xiàn)為產(chǎn)品在下落時(shí)，保障可以對(duì)產(chǎn)品加速峰值進(jìn)行限制。弱化幅度越高，證明包裝保護(hù)能力越強(qiáng)，產(chǎn)品受損的概率就越小。據(jù)了解得知，不同國(guó)家對(duì)大尺寸液晶電視包裝跌落度和脆值要求并不相同，世界各國(guó)尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但結(jié)合現(xiàn)有規(guī)定得知，如果產(chǎn)品跌落高度不超過(guò)40cm，則脆值不會(huì)大于90g。本文以某廠家出口地的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，其要求為產(chǎn)品跌落高度為61cm，脆值為90g。

3 紙漿模襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紙漿模緩沖襯墊是由多個(gè)緩沖凸臺(tái)所組成的一種保護(hù)結(jié)構(gòu)的，這些緩沖凸臺(tái)按照特定的排列方式，就構(gòu)成了一個(gè)完整的紙漿模襯結(jié)構(gòu)，因此，紙漿模襯結(jié)構(gòu)是否能起到良好的保護(hù)作用，取決于緩沖凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。因此，本文接下來(lái)會(huì)對(duì)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述[2]。（1）大尺寸液晶顯示器跌落對(duì)紙漿模緩沖墊造成的最大沖擊力計(jì)算，在計(jì)算這個(gè)數(shù)值的過(guò)程中，我們可以使用下述公式：P=m×G；在上述公式中，顯示器包裝的整體質(zhì)量由m表示，而顯示器的標(biāo)準(zhǔn)脆值則由G表示。（2）對(duì)主緩沖凸臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行明確。（3）在使用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法后，可以繪制凸臺(tái)支持力- 位移關(guān)系曲線，在確定曲線峰值后，即可明確凸臺(tái)最大支持力。（4）通過(guò)查閱相關(guān)資料得知，如果緩沖結(jié)構(gòu)單元由n 個(gè)紙漿模制品構(gòu)成，那么其最大載荷承受能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1 個(gè)紙漿模制品構(gòu)成的緩沖結(jié)構(gòu)單元，超出幅度為n 倍。

我們可以使用公式N=P/F，對(duì)各局部襯墊承載凸臺(tái)的最大數(shù)目進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，還可以依據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)襯墊整體尺寸加以校對(duì)。在該公式中，單凸臺(tái)最大支持力由F 表示。

3.1 緩沖凸臺(tái)的尺寸和數(shù)量。通過(guò)對(duì)上述設(shè)計(jì)方法的使用，設(shè)計(jì)緩沖襯墊，假設(shè)大尺寸液晶顯示器的尺寸為32 寸，產(chǎn)品重量為10 公斤，跌落的高度為63cm，產(chǎn)品脆值等于標(biāo)準(zhǔn)值，包裝材料為瓦楞紙，其尺寸為80cm×63cm×17cm，包裝的厚度不超過(guò)0.3cm，然后，我們可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行使用，并得到表1 中的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 各襯墊緩沖凸臺(tái)參數(shù)

據(jù)查閱資料得知，如果凸臺(tái)的高度超過(guò)3cm，其抗壓強(qiáng)度與高度呈現(xiàn)出正比關(guān)系，簡(jiǎn)言之，凸臺(tái)高度越高，其抗壓強(qiáng)度越大，由此推斷出，局部襯墊主緩沖凸臺(tái)的承載能力趨于一致。比如：某研究人員利用ANSYS/LS-DYNA 分析凸臺(tái)的承載能力，分析后得到F=1035N，也就是說(shuō)，單個(gè)緩沖凸臺(tái)最大支持力為1035N。然后將公式P=m×G作為依據(jù)，可以對(duì)緩沖襯墊承受的最大沖擊力進(jìn)行計(jì)算，最終得到P=14×90g=12600N 的結(jié)果，然后利用公式N=P/F 得到緩沖凸臺(tái)的需求數(shù)量，想要保證最大支持力，總共需要12 個(gè)緩沖凸臺(tái)。

在緩沖包裝顯示器的四個(gè)角時(shí)，通常情況下，顯示器的前后方保護(hù)要優(yōu)于側(cè)面，具體表現(xiàn)為保護(hù)前后方的襯墊為4 個(gè)，而保護(hù)側(cè)面的襯墊僅為2 個(gè)，其數(shù)量分布如表2 所示。

表2 緩沖凸臺(tái)數(shù)量分布

3.2 對(duì)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行優(yōu)化。外包裝箱總體尺寸會(huì)對(duì)凸臺(tái)排列造成影響，尤其是上下方，如果將6 個(gè)凸臺(tái)平行布置到單個(gè)角落，再加上紙漿模結(jié)構(gòu)存在的工藝縫隙，則整個(gè)襯墊的長(zhǎng)度，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于包裝箱的尺寸。有鑒于此，優(yōu)化單個(gè)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，使其承載能力得到增強(qiáng)，這是減少凸臺(tái)使用和縮小襯墊長(zhǎng)度的有效舉措[3]。

優(yōu)化后的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，單體高度并未發(fā)生變化，依然為45mm，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由單層變?yōu)榱藛螌?雙層，其中雙層凸臺(tái)的高度為3mm，而單層凸臺(tái)的高度為42mm，二者相加后等于45mm，然后我們可以利用軟件，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的凸臺(tái)載荷能力進(jìn)行計(jì)算，最后得到的計(jì)算結(jié)果為1126N，與之相對(duì)應(yīng)的緩沖凸臺(tái)數(shù)量為11 個(gè)，相較之前，減少了1 個(gè)緩沖凸臺(tái)。

利用輔助凸臺(tái)連接各個(gè)緩沖凸臺(tái)，在凸臺(tái)定位完成后，將2 個(gè)長(zhǎng)方形緩沖凸臺(tái)添加到前后襯墊上方，使凸臺(tái)承載能力得到提升。優(yōu)化后緩沖凸臺(tái)數(shù)量分布相較于之前，使用數(shù)量下降，這表示，在包裝過(guò)程中，雖然使用了較少的凸臺(tái)，但起到的效果卻并未發(fā)生改變，可以滿足減少包裝尺寸的要求。

4 襯墊緩沖性能仿真

在包裝顯示器4 個(gè)角部時(shí)，使用了上述設(shè)計(jì)的襯墊結(jié)構(gòu)，將GB/T 4857.5-1992 應(yīng)用有限分析軟件，對(duì)跌落進(jìn)行分析，假設(shè)跌落高度為61cm，所得到的結(jié)果如下所述：（1）在面跌落方面，無(wú)論是前后面跌落、左右側(cè)面跌落，還是上下面跌落，其峰值加速度均小于90g，簡(jiǎn)言之，優(yōu)化后的產(chǎn)品包裝，可以為產(chǎn)品提供有效的保護(hù)。（2）在棱跌落方面，長(zhǎng)中短跌落方式的測(cè)量結(jié)果，均小于60g，處在標(biāo)準(zhǔn)值之內(nèi)。（3）在角跌落方面，峰值加速度為46g。

通過(guò)觀察上表可知，本次設(shè)計(jì)的紙漿模緩沖包裝，在保護(hù)大尺寸顯示器方面，可以取得良好的效果，與廠家規(guī)定相符。

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，人們生活質(zhì)量不斷提升，對(duì)顯示器提出了尺寸方面的要求，在此背景下，大尺寸液晶顯示器受到了人們的青睞，但大尺寸顯示器與小尺寸顯示器相比，更容易因?yàn)榈涠鴵p壞。因此，建議包裝生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)重視紙漿模襯墊的應(yīng)用和優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化襯墊結(jié)構(gòu)的方式，提高襯墊單體的承載能力，從而減少襯墊的使用數(shù)量，以滿足廠家的規(guī)定和要求。