關于大尺寸液晶顯示器紙漿模襯墊結構設計與優化探討

王寶年

（高創（蘇州）電子有限公司，江蘇 蘇州215299）

EPS目前在電子產品包裝中取得了良好的應用，通常被用作為內部緩沖襯墊。但這種材料具有一次性使用的特點，并且降解難度較高，容易對自然環境造成極為惡劣的影響。為此，相關行業人員經過多年研發，設計了一種紙漿模襯墊結構，由于其具有環保穩定的特點，故成為了EPS的有效替代品。在此背景下，對該課題進行研究，其意義十分重大。

1 紙漿模結構的緩沖機理

在紙漿模結構緩沖襯墊之中，紙漿模凸臺是最重要的緩沖結構，其會在載荷作用力下發生形變，在這一階段，存在一個支撐結構的支持力，這個支持力對應曲線峰值。

在明確紙漿模襯墊緩沖過程時，需要基于矩形凸臺，究其原因，主要是矩形凸臺的緩沖能力非常強，可以降低沖擊力，其之所以具備非常強的緩沖能力，主要是凸臺的4 個側壁，是主要承載位置，在實際加載階段，側壁會起到作用與受壓薄板大致相同，如下所述：（1）自加載開始起，側壁就會逐漸變形，具體表現為彈塑性變形；（2）如果材料無法承受應力，會導致凸臺損壞，并喪失功能[1]。

由此可見，凸臺變形是紙漿模起到緩沖作用的主要方式。據查閱相關資料得知，單凸臺和多凸臺的最大支持力存在顯著的差異，后者的最大支持力遠遠高于前者。

2 包裝方式和跌落要求

2.1 包裝方式。現階段，應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，局部包裝無法與全面包裝相比較，具體表現為局部包裝僅能包裝產品的一部分。在包裝尺寸較小的產品時，局部包裝勉強適用，但在包裝大型產品時，局部包裝則無法起到作用，同時，全面包裝的效果也會大大折扣，究其原因，主要是大型產品的包裝成本較高，在紙漿模板制作尺寸上也存在限制。在這一背景下，提出了一種僅對產品四個角進行包裝的折疊嵌套式紙漿緩沖結構。

2.2 確定包裝的整體尺寸。大尺寸顯示器包裝由多個部分組成，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，我們可以發現L形是折疊嵌套緩沖襯墊成型后的主要形狀。我們可以根據公式h=W-2H-L/2，計算局部緩沖襯墊的最大厚度。在這個公式中，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，故無法承受過高的加速度，簡言之，脆值越高，產品受損的概率就越小，反之則亦然。沖擊脈沖形狀和持續時間同樣會對產品是否受損產生影響。基于破碎邊界曲線理論，可以得知，包裝之所以能起到保護產品的作用，具體表現為產品在下落時，保障可以對產品加速峰值進行限制。弱化幅度越高，證明包裝保護能力越強，產品受損的概率就越小。據了解得知，不同國家對大尺寸液晶電視包裝跌落度和脆值要求并不相同，世界各國尚未形成統一的標準，但結合現有規定得知，如果產品跌落高度不超過40cm，則脆值不會大于90g。本文以某廠家出口地的標準為依據，其要求為產品跌落高度為61cm，脆值為90g。

3 紙漿模襯結構設計

紙漿模緩沖襯墊是由多個緩沖凸臺所組成的一種保護結構的，這些緩沖凸臺按照特定的排列方式，就構成了一個完整的紙漿模襯結構，因此，紙漿模襯結構是否能起到良好的保護作用，取決于緩沖凸臺結構。因此，本文接下來會對凸臺結構設計方法進行闡述[2]。（1）大尺寸液晶顯示器跌落對紙漿模緩沖墊造成的最大沖擊力計算，在計算這個數值的過程中，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量由m表示，而顯示器的標準脆值則由G表示。（2）對主緩沖凸臺結構參數進行明確。（3）在使用數值實驗方法后，可以繪制凸臺支持力- 位移關系曲線，在確定曲線峰值后，即可明確凸臺最大支持力。（4）通過查閱相關資料得知，如果緩沖結構單元由n 個紙漿模制品構成，那么其最大載荷承受能力，遠遠高于1 個紙漿模制品構成的緩沖結構單元，超出幅度為n 倍。

我們可以使用公式N=P/F，對各局部襯墊承載凸臺的最大數目進行計算，同時，還可以依據計算結果，對襯墊整體尺寸加以校對。在該公式中，單凸臺最大支持力由F 表示。

3.1 緩沖凸臺的尺寸和數量。通過對上述設計方法的使用，設計緩沖襯墊，假設大尺寸液晶顯示器的尺寸為32 寸，產品重量為10 公斤，跌落的高度為63cm，產品脆值等于標準值，包裝材料為瓦楞紙，其尺寸為80cm×63cm×17cm，包裝的厚度不超過0.3cm，然后，我們可以對這些數據進行使用，并得到表1 中的設計參數。

表1 各襯墊緩沖凸臺參數

據查閱資料得知，如果凸臺的高度超過3cm，其抗壓強度與高度呈現出正比關系，簡言之，凸臺高度越高，其抗壓強度越大，由此推斷出，局部襯墊主緩沖凸臺的承載能力趨于一致。比如：某研究人員利用ANSYS/LS-DYNA 分析凸臺的承載能力，分析后得到F=1035N，也就是說，單個緩沖凸臺最大支持力為1035N。然后將公式P=m×G作為依據，可以對緩沖襯墊承受的最大沖擊力進行計算，最終得到P=14×90g=12600N 的結果，然后利用公式N=P/F 得到緩沖凸臺的需求數量，想要保證最大支持力，總共需要12 個緩沖凸臺。

在緩沖包裝顯示器的四個角時，通常情況下，顯示器的前后方保護要優于側面，具體表現為保護前后方的襯墊為4 個，而保護側面的襯墊僅為2 個，其數量分布如表2 所示。

表2 緩沖凸臺數量分布

3.2 對凸臺結構承載能力進行優化。外包裝箱總體尺寸會對凸臺排列造成影響，尤其是上下方，如果將6 個凸臺平行布置到單個角落，再加上紙漿模結構存在的工藝縫隙，則整個襯墊的長度，會遠遠大于包裝箱的尺寸。有鑒于此，優化單個凸臺結構，使其承載能力得到增強，這是減少凸臺使用和縮小襯墊長度的有效舉措[3]。

優化后的凸臺結構，單體高度并未發生變化，依然為45mm，但是其內部結構由單層變為了單層+雙層，其中雙層凸臺的高度為3mm，而單層凸臺的高度為42mm，二者相加后等于45mm，然后我們可以利用軟件，對優化設計后的凸臺載荷能力進行計算，最后得到的計算結果為1126N，與之相對應的緩沖凸臺數量為11 個，相較之前，減少了1 個緩沖凸臺。

利用輔助凸臺連接各個緩沖凸臺，在凸臺定位完成后，將2 個長方形緩沖凸臺添加到前后襯墊上方，使凸臺承載能力得到提升。優化后緩沖凸臺數量分布相較于之前，使用數量下降，這表示，在包裝過程中，雖然使用了較少的凸臺，但起到的效果卻并未發生改變，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 個角部時，使用了上述設計的襯墊結構，將GB/T 4857.5-1992 應用有限分析軟件，對跌落進行分析，假設跌落高度為61cm，所得到的結果如下所述：（1）在面跌落方面，無論是前后面跌落、左右側面跌落，還是上下面跌落，其峰值加速度均小于90g，簡言之，優化后的產品包裝，可以為產品提供有效的保護。（2）在棱跌落方面，長中短跌落方式的測量結果，均小于60g，處在標準值之內。（3）在角跌落方面，峰值加速度為46g。

通過觀察上表可知，本次設計的紙漿模緩沖包裝，在保護大尺寸顯示器方面，可以取得良好的效果，與廠家規定相符。

綜上所述，在社會經濟高速發展的背景下，人們生活質量不斷提升，對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，更容易因為跌落而損壞。因此，建議包裝生產企業應重視紙漿模襯墊的應用和優化，通過優化襯墊結構的方式，提高襯墊單體的承載能力，從而減少襯墊的使用數量，以滿足廠家的規定和要求。