淺析包裝動力學的發展與研究

卞玉玲

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

關鍵詞：包裝動力學；包裝運輸；脆值理論；產品破損理論

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

產品從生產出來到開始使用要經過一系列的運輸、保管、堆碼和裝卸等環境過程。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。包裝動力學就是分析研究流通過程中的機械沖擊與振動在物體上產生的響應和采取相應保護措施的一門科學。

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

1 包裝動力學的發展概況

運輸過程中所導致的沖擊和振動是引起產品包裝防護結構破壞、產品破損的主要因素，人們一般通過尋求合適的包裝材料，設計可靠的包裝結構來有效降低沖擊和振動對產品的損壞。

從1945年Mindlin首次提出緩沖系數的重要概念到1968年Newton提出產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和MTS公司共同制定的緩沖包裝設計五步法，運輸包裝理論和技術蓬勃發展。近年來，計算機在各個領域的廣泛應用，極大地推動了包裝動力學理論的研究，研究的重點逐漸轉向更符合實際的多自由度系統和非線性緩沖系統。

2 包裝動力學的相關理論研究

運載振動和沖擊作用是包裝結構破壞的主要因素。包裝界對產品包裝系統沖擊特性和破損評價方法主要采用脆值概念，認為產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系，給出將沖擊譜轉化成破損邊界的方法。一些學者針對產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品破損邊界。Burgess在線性累計損傷理論的基礎上推導了產品塑性失效加速度、速度準則，建立了疲勞破損邊界新理論。Daum基于產品的塑性破壞模式，提出疲勞沖擊響應譜的構建方法。宋寶豐提出了基于沖擊譜的產品脆值新概念。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，當產品沖擊引起材料變形超過某一極限值時，產品由于材料“硬化”導致響應加速度急劇增大，從而導致破損，提出位移易損度的新概念，建立了產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，王志偉采用統一的方法研究了各種典型非線性包裝系統在各種典型脈沖激勵下的沖擊響應特征，同時得到了系統的沖擊響應譜和破損邊界，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，構建了果品類產品的損傷邊界曲線。

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雜，它與運輸工具（汽車、火車、飛機、貨船）、運輸環境（路面情況、接軌、風浪）、包裝件（包裝材質、包裝結構形式、固有頻率）、載重質量等情況有關。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，為包裝設計和包裝測試提供重要數據。

近年來，越來越多的學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展到隨機試驗、正弦加隨機、隨機加隨機、沖擊響應譜以及隨機信號的時域再現等諸多試驗方法。S.Otari建立了公路運輸振動加速度水平的統計分布模型（符合優化后的高斯分布）； DavidShires 研究了隨機振動試驗中的時間壓縮產生的問題；陳家焱研究了多點激勵振動試驗系統的控制策略，提出采用偏相干殘差法進行多點激勵振動試驗控制系統頻響估計；朱學旺將結構隨機振動應力響應的峰值概率分布通用關系應用于疲勞損傷評估，進行了以疲勞損傷等價為基礎的隨機振動試驗；M.J.Lamb 使用基于短時的傅里葉變換、自適應數字有限脈沖響應濾波技術兩種技術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隨機載荷能力的包裝結構的有效工具。

4 緩沖包裝設計與模擬分析

緩沖包裝設計受到運輸環境條件、緩沖材料性能、緩沖襯墊幾何參數、產品脆值等許多具有隨機變化特性因素的影響，難以確切表征產品緩沖包裝的適合程度，特別是對于一些新型結構性緩沖材料或緩沖件組成的緩沖系統，主要依靠結構的變形吸收能量來承擔靜態和動態載荷，此類緩沖設計主要靠經驗或仿制，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的模擬分析，能夠真實地模擬流通過程中的各種復雜碰撞問題，求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞和非線性動力沖擊問題，得到產品的響應情況，進而完成對緩沖件的優化設計，可大大減小設計的盲目性和設計周期。

5 結束語

在包裝動力學理論分析方面，脆值和產品破損邊界理論等研究已經比較成熟，采取不同方法測定實際運輸振動沖擊數據也取得了一定進展，新型緩沖材料的研發一直是包裝領域的研究熱點，取得了一定的成果。隨著物流業的日趨繁盛，產品包裝需要滿足包括人機工程、環境保護、隔振抗摔、避免過度包裝等新的市場需求，這對包裝動力學的發展提出了新的要求，同時也開拓出新的發展空間。

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用[J].振動與沖擊，2002，20（1）：39-42.

[2]王志偉.粘滯阻尼三次函數彈性緩沖包裝系統的跌落沖響應[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的沖擊響應[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在基礎振動激勵下的響應[J].包裝工程，2004，25（5）：134-137.

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

[6]呂廣慶，王志偉.產品-包裝-運載體系統動態特性研究[J].包裝工程，2006，27（1）：115-118.

〔編輯：王霞〕