浅析包装动力学的发展与研究

卞玉玲

摘 要：运输过程中所导致的冲击和振动是引起产品包装结构破坏、产品破损的主要因素。人们一般通过寻求合适的包装材料、设计可靠的包装结构来有效降低冲击和振动对产品的损坏。包装动力学通过研究包装件对流通环境中的振动与冲击的响应，分析内装产品在流通中破损的原因，为缓冲包装设计提供理论依据。对包装动力学的发展与研究情况进行了浅析。

关键词：包装动力学；包装运输；脆值理论；产品破损理论

中图分类号：TB485.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.044

产品从生产出来到开始使用要经过一系列的运输、保管、堆码和装卸等环境过程。为了保护其免受损坏，需要对其采取一定防护措施进行缓冲包装。包装动力学就是分析研究流通过程中的机械冲击与振动在物體上产生的响应和采取相应保护措施的一门科学。

包装动力学的研究目的是为了揭示物品在流通过程中的运动规律，为产品包装设计、包装材料选择、运输工具选择等提供理论依据，从而达到减少运输途中的货损、降低成本等目的。

1 包装动力学的发展概况

运输过程中所导致的冲击和振动是引起产品包装防护结构破坏、产品破损的主要因素，人们一般通过寻求合适的包装材料，设计可靠的包装结构来有效降低冲击和振动对产品的损坏。

从1945年Mindlin首次提出缓冲系数的重要概念到1968年Newton提出产品破损边界条件理论，再到20世纪70年代末美国密歇根州立大学和MTS公司共同制定的缓冲包装设计五步法，运输包装理论和技术蓬勃发展。近年来，计算机在各个领域的广泛应用，极大地推动了包装动力学理论的研究，研究的重点逐渐转向更符合实际的多自由度系统和非线性缓冲系统。

2 包装动力学的相关理论研究

运载振动和冲击作用是包装结构破坏的主要因素。包装界对产品包装系统冲击特性和破损评价方法主要采用脆值概念，认为产品破损失效与否主要取决于其承受的峰值加速度是否超过产品所能承受的极限值。Newton首先讨论了冲击谱与破损边界的关系，给出将冲击谱转化成破损边界的方法。一些学者针对产品脆值和破损边界的测定方法及可靠性作了研究，建议用加速度脉冲的平均值代替幅值，Goff和Pierce建议采用半正弦脉冲来测定产品破损边界。Burgess在线性累计损伤理论的基础上推导了产品塑性失效加速度、速度准则，建立了疲劳破损边界新理论。Daum基于产品的塑性破坏模式，提出疲劳冲击响应谱的构建方法。宋宝丰提出了基于冲击谱的产品脆值新概念。Goodwin以柯达某款相机为例，实际测试了其疲劳破损边界，验证了疲劳破损边界理论对塑性产品破损评价的有效性。王振林考虑到实际使用的缓冲垫厚度有限，当产品冲击引起材料变形超过某一极限值时，产品由于材料“硬化”导致响应加速度急剧增大，从而导致破损，提出位移易损度的新概念，建立了产品位移损坏边界新理论。实际使用的缓冲材料大多具有明显的非线性特征，王志伟采用统一的方法研究了各种典型非线性包装系统在各种典型脉冲激励下的冲击响应特征，同时得到了系统的冲击响应谱和破损边界，拓展了破损边界理论的适用范围。卢立新针对果蔬类产品的特性及允许一定损伤率的特点，提出跌落损伤脆值的新概念，构建了果品类产品的损伤边界曲线。

3 包装件的振动研究

包装件在流通过程中的振动情况很复杂，它与运输工具（汽车、火车、飞机、货船）、运输环境（路面情况、接轨、风浪）、包装件（包装材质、包装结构形式、固有频率）、载重质量等情况有关。研究包装件在流通过程中的振动情况，能够便于确定运输途中的主要货损原因，为包装设计和包装测试提供重要数据。

近年来，越来越多的学者尝试测定与分析运输途中车辆的振动水平。试验方法从以前的正弦试验逐步发展到随机试验、正弦加随机、随机加随机、冲击响应谱以及随机信号的时域再现等诸多试验方法。S.Otari建立了公路运输振动加速度水平的统计分布模型（符合优化后的高斯分布）； DavidShires 研究了随机振动试验中的时间压缩产生的问题；陈家焱研究了多点激励振动试验系统的控制策略，提出采用偏相干残差法进行多点激励振动试验控制系统频响估计；朱学旺将结构随机振动应力响应的峰值概率分布通用关系应用于疲劳损伤评估，进行了以疲劳损伤等价为基础的随机振动试验；M.J.Lamb 使用基于短时的傅里叶变换、自适应数字有限脉冲响应滤波技术两种技术评估典型包装元素的机械性能，研究认为后一种方法是建立能承受持续随机载荷能力的包装结构的有效工具。

4 缓冲包装设计与模拟分析

缓冲包装设计受到运输环境条件、缓冲材料性能、缓冲衬垫几何参数、产品脆值等许多具有随机变化特性因素的影响，难以确切表征产品缓冲包装的适合程度，特别是对于一些新型结构性缓冲材料或缓冲件组成的缓冲系统，主要依靠结构的变形吸收能量来承担静态和动态载荷，此类缓冲设计主要靠经验或仿制，可靠性只有通过破坏性试验来评价，盲目性很大。

将ANSYS/LSDYNA软件引入对缓冲包装系统的模拟分析，能够真实地模拟流通过程中的各种复杂碰撞问题，求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞和非线性动力冲击问题，得到产品的响应情况，进而完成对缓冲件的优化设计，可大大减小设计的盲目性和设计周期。

5 结束语

在包装动力学理论分析方面，脆值和产品破损边界理论等研究已经比较成熟，采取不同方法测定实际运输振动冲击数据也取得了一定进展，新型缓冲材料的研发一直是包装领域的研究热点，取得了一定的成果。随着物流业的日趋繁盛，产品包装需要满足包括人机工程、环境保护、隔振抗摔、避免过度包装等新的市场需求，这对包装动力学的发展提出了新的要求，同时也开拓出新的发展空间。

参考文献

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〔编辑：王霞〕