考虑蜂窝纸板箱缓冲作用的产品包装系统跌落冲击研究

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1、考虑蜂窝纸板箱缓冲作用的产品包装系统跌落冲击研究*卢富德1，高德2(1.浙江大学航空航天学院，浙江杭州310027；2.浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315100)摘要:在实际缓冲包装设计中，忽略了外包装箱的缓冲作用，因此很难得到合理的缓冲结构。为了研究外包装箱对缓冲包装系统的影响，首先基于压缩试验分别确立了制作外包装箱的蜂窝纸板与缓冲材料发泡聚乙烯的本构关系；其次建立了发泡聚乙烯与蜂窝纸板的串联力学模型，并介绍了求解算法；最后基于物品响应加速度小于许用值及材料用量最小化两个原则，设计了串联缓冲包装结构目标优化函数并介绍了优化函数的求解步

2、骤，通过试验数据验证了模型的正确性。结果表明，如果不考虑蜂窝纸板箱的缓冲作用，会造成很大程度的保守包装，因此考虑外包装箱的缓冲作用能有效避免缓冲材料的过度使用。这些研究结果与方法为其它不同缓冲材料的串联提供了参考。关键词:外包装箱；蜂窝纸板；发泡聚乙烯；跌落冲击；优化设计中图分类号：TB485.1;O322文献标识码：A文章编号：引言产品从生产者转移到消费者的流通过程中，要遭受一定程度的振动与冲击作用，因此需要缓冲材料吸收外力产生的能量，以防止产品损坏。在具体的缓冲设计中，常用缓冲材料的最大加速度-静应力曲线来设计包装系统的缓冲结构[1]

3、。因为测试缓冲材料的最大加速度-静应力曲线需要耗费大量的缓冲材料且耗时，为了克服这个方法的缺点，许多国内外学者报道了数值模型与理论本构关系在缓冲包装动力学方面的应用。例如，Wang等考虑缓冲衬垫压缩变形范围有限的制约条件，介绍了位移破损边界曲线[2]。王振林把位移损坏边界和加速度损坏边界相结合，用以确定物品包装系统的安全区，讨论了两类损坏边界的关系[3]。Wang等提出了评价线性和非线性包装系统产品安全与否的跌落破损边界曲线概念[4-6]。高德等考虑缓冲材料在变形时由于产品质量的中心不对称，受到冲击后会引起旋转变形，讨论了平动与转动之间的

4、耦合[7,8]。Gao等建立了发泡聚乙烯[9]与植物秸秆材料[10]动态本构关系，为缓冲材料优化设计奠定了基础。这些研究集中于具有理想力学模型的单一包装系统破损边界，或单一实际缓冲材料的本构关系，均未涉及两种或多种缓冲材料串联情形。*收稿日期：2011-00-00；修订日期基金项目：国家“十二五”科技支撑项目资助(2011BAD24B01)缓冲包装系统一般由产品、缓冲材料和外包装箱组成。泡沫塑料，例如发泡聚乙烯和发泡聚苯乙烯[11]常用于包装衬垫吸收能量以抵制外来冲击作用。市场上流通的外包装箱大多为瓦楞纸板箱和蜂窝纸板箱，用于储藏产品及方

5、便物流运输。由于环境方面的考虑，在现有的研究中，瓦楞纸板[12-15]与蜂窝纸板[16,17]的缓冲性能已有报道，但用缓冲曲线设计包装系统的缓冲结构时，组成外包装箱的瓦楞纸板及蜂窝纸板的缓冲作用被忽略了，应该建立缓冲材料与外包装箱串联的力学模型，才能真实反映实际的包装情况。外包装箱对缓冲系统的缓冲作用的贡献究竟有多大，还未见有这方面的理论报道。基于此，本文以发泡聚乙烯作为产品的缓冲材料，蜂窝纸板箱作为实际外包装箱为研究对象，建立这两种不同缓冲材料的串联力学模型，并提出串联系统的优化设计，进而定量研究蜂窝纸板箱对缓冲系统的缓冲作用的影响。1

6、.蜂窝纸板与发泡聚乙烯动态本构关系为了确定蜂窝纸板与发泡聚乙烯的压缩本构关系，需要测试这两种材料的力学行为，以建立与试验数据相吻合的力学模型。试验所用的发泡聚乙烯的密度为33g/m3；蜂窝纸板的面纸为200g/m2的箱板纸，正六边形蜂窝纸芯的定量为120g/m2。材料被截成100mm×100mm。采用液压万能试验机(深圳市新三思材料检测有限公司，CMT6103，最大轴力5KN)测试材料的静态应力-应变数据，压缩速率为2mm/min，示意图如图1所示。材料动态实验采用跌落试验台(苏州试验机厂,DL100型)，动态原理示意图，如图2所示。实验

7、方法：实验各取3块样本，对每个样本测试一次；数据采集系统保存每次实验力-位移数据，然后数据被转化成应力-应变数据，对三次实验数据进行平均。按ISO2233：2000标准预处理试样，试验环境温度为23±0.3℃，相对湿度为53±2%。缓冲材料应力视为名义应力，为(1)式中σ(t)为为时刻t时缓冲材料的名义应力；F(t)为对应的压缩力；A为缓冲材料的面积。对应的名义应变及名义应变率，为(2)式中ε(t)为缓冲材料在t时刻的名义应变，x(t)为对应压缩变形量；为t时刻的名义应变率，为对应的速度；h为缓冲材料的厚度。图1静态压缩示意图图2动态压缩

8、示意图根据静态实验方法，得到蜂窝纸板静态应力-应变曲线，如图3中的实线所示。可以看出:在应变小于0.061时，应力与应变为线性关系；应变大于0.061且小于0.168时，应力随应变的增加而减小