关于大尺寸液晶显示器纸浆模衬垫结构设计与优化探讨

王宝年

（高创（苏州）电子有限公司，江苏 苏州215299）

EPS目前在电子产品包装中取得了良好的应用，通常被用作为内部缓冲衬垫。但这种材料具有一次性使用的特点，并且降解难度较高，容易对自然环境造成极为恶劣的影响。为此，相关行业人员经过多年研发，设计了一种纸浆模衬垫结构，由于其具有环保稳定的特点，故成为了EPS的有效替代品。在此背景下，对该课题进行研究，其意义十分重大。

1 纸浆模结构的缓冲机理

在纸浆模结构缓冲衬垫之中，纸浆模凸台是最重要的缓冲结构，其会在载荷作用力下发生形变，在这一阶段，存在一个支撑结构的支持力，这个支持力对应曲线峰值。

在明确纸浆模衬垫缓冲过程时，需要基于矩形凸台，究其原因，主要是矩形凸台的缓冲能力非常强，可以降低冲击力，其之所以具备非常强的缓冲能力，主要是凸台的4 个侧壁，是主要承载位置，在实际加载阶段，侧壁会起到作用与受压薄板大致相同，如下所述：（1）自加载开始起，侧壁就会逐渐变形，具体表现为弹塑性变形；（2）如果材料无法承受应力，会导致凸台损坏，并丧失功能[1]。

由此可见，凸台变形是纸浆模起到缓冲作用的主要方式。据查阅相关资料得知，单凸台和多凸台的最大支持力存在显著的差异，后者的最大支持力远远高于前者。

2 包装方式和跌落要求

2.1 包装方式。现阶段，应用最为广泛的包装方式为全面和局部包装，从覆盖面积上看，局部包装无法与全面包装相比较，具体表现为局部包装仅能包装产品的一部分。在包装尺寸较小的产品时，局部包装勉强适用，但在包装大型产品时，局部包装则无法起到作用，同时，全面包装的效果也会大大折扣，究其原因，主要是大型产品的包装成本较高，在纸浆模板制作尺寸上也存在限制。在这一背景下，提出了一种仅对产品四个角进行包装的折叠嵌套式纸浆缓冲结构。

2.2 确定包装的整体尺寸。大尺寸显示器包装由多个部分组成，分别为：（1）显示器本体包装；（2）瓦楞纸包装；（3）纸浆模缓冲衬垫。将大尺寸显示器的外部轮廓作为依据，我们可以发现L形是折叠嵌套缓冲衬垫成型后的主要形状。我们可以根据公式h=W-2H-L/2，计算局部缓冲衬垫的最大厚度。在这个公式中，W是外包装的尺寸，H 是外包装箱瓦楞纸厚度，而L是显示器尺寸。

2.3 缓冲性能要求。大尺寸液晶显示器跌落后，非常容易损坏，究其原因，主要是大尺寸液晶显示器的脆值较小，故无法承受过高的加速度，简言之，脆值越高，产品受损的概率就越小，反之则亦然。冲击脉冲形状和持续时间同样会对产品是否受损产生影响。基于破碎边界曲线理论，可以得知，包装之所以能起到保护产品的作用，具体表现为产品在下落时，保障可以对产品加速峰值进行限制。弱化幅度越高，证明包装保护能力越强，产品受损的概率就越小。据了解得知，不同国家对大尺寸液晶电视包装跌落度和脆值要求并不相同，世界各国尚未形成统一的标准，但结合现有规定得知，如果产品跌落高度不超过40cm，则脆值不会大于90g。本文以某厂家出口地的标准为依据，其要求为产品跌落高度为61cm，脆值为90g。

3 纸浆模衬结构设计

纸浆模缓冲衬垫是由多个缓冲凸台所组成的一种保护结构的，这些缓冲凸台按照特定的排列方式，就构成了一个完整的纸浆模衬结构，因此，纸浆模衬结构是否能起到良好的保护作用，取决于缓冲凸台结构。因此，本文接下来会对凸台结构设计方法进行阐述[2]。（1）大尺寸液晶显示器跌落对纸浆模缓冲垫造成的最大冲击力计算，在计算这个数值的过程中，我们可以使用下述公式：P=m×G；在上述公式中，显示器包装的整体质量由m表示，而显示器的标准脆值则由G表示。（2）对主缓冲凸台结构参数进行明确。（3）在使用数值实验方法后，可以绘制凸台支持力- 位移关系曲线，在确定曲线峰值后，即可明确凸台最大支持力。（4）通过查阅相关资料得知，如果缓冲结构单元由n 个纸浆模制品构成，那么其最大载荷承受能力，远远高于1 个纸浆模制品构成的缓冲结构单元，超出幅度为n 倍。

我们可以使用公式N=P/F，对各局部衬垫承载凸台的最大数目进行计算，同时，还可以依据计算结果，对衬垫整体尺寸加以校对。在该公式中，单凸台最大支持力由F 表示。

3.1 缓冲凸台的尺寸和数量。通过对上述设计方法的使用，设计缓冲衬垫，假设大尺寸液晶显示器的尺寸为32 寸，产品重量为10 公斤，跌落的高度为63cm，产品脆值等于标准值，包装材料为瓦楞纸，其尺寸为80cm×63cm×17cm，包装的厚度不超过0.3cm，然后，我们可以对这些数据进行使用，并得到表1 中的设计参数。

表1 各衬垫缓冲凸台参数

据查阅资料得知，如果凸台的高度超过3cm，其抗压强度与高度呈现出正比关系，简言之，凸台高度越高，其抗压强度越大，由此推断出，局部衬垫主缓冲凸台的承载能力趋于一致。比如：某研究人员利用ANSYS/LS-DYNA 分析凸台的承载能力，分析后得到F=1035N，也就是说，单个缓冲凸台最大支持力为1035N。然后将公式P=m×G作为依据，可以对缓冲衬垫承受的最大冲击力进行计算，最终得到P=14×90g=12600N 的结果，然后利用公式N=P/F 得到缓冲凸台的需求数量，想要保证最大支持力，总共需要12 个缓冲凸台。

在缓冲包装显示器的四个角时，通常情况下，显示器的前后方保护要优于侧面，具体表现为保护前后方的衬垫为4 个，而保护侧面的衬垫仅为2 个，其数量分布如表2 所示。

表2 缓冲凸台数量分布

3.2 对凸台结构承载能力进行优化。外包装箱总体尺寸会对凸台排列造成影响，尤其是上下方，如果将6 个凸台平行布置到单个角落，再加上纸浆模结构存在的工艺缝隙，则整个衬垫的长度，会远远大于包装箱的尺寸。有鉴于此，优化单个凸台结构，使其承载能力得到增强，这是减少凸台使用和缩小衬垫长度的有效举措[3]。

优化后的凸台结构，单体高度并未发生变化，依然为45mm，但是其内部结构由单层变为了单层+双层，其中双层凸台的高度为3mm，而单层凸台的高度为42mm，二者相加后等于45mm，然后我们可以利用软件，对优化设计后的凸台载荷能力进行计算，最后得到的计算结果为1126N，与之相对应的缓冲凸台数量为11 个，相较之前，减少了1 个缓冲凸台。

利用辅助凸台连接各个缓冲凸台，在凸台定位完成后，将2 个长方形缓冲凸台添加到前后衬垫上方，使凸台承载能力得到提升。优化后缓冲凸台数量分布相较于之前，使用数量下降，这表示，在包装过程中，虽然使用了较少的凸台，但起到的效果却并未发生改变，可以满足减少包装尺寸的要求。

4 衬垫缓冲性能仿真

在包装显示器4 个角部时，使用了上述设计的衬垫结构，将GB/T 4857.5-1992 应用有限分析软件，对跌落进行分析，假设跌落高度为61cm，所得到的结果如下所述：（1）在面跌落方面，无论是前后面跌落、左右侧面跌落，还是上下面跌落，其峰值加速度均小于90g，简言之，优化后的产品包装，可以为产品提供有效的保护。（2）在棱跌落方面，长中短跌落方式的测量结果，均小于60g，处在标准值之内。（3）在角跌落方面，峰值加速度为46g。

通过观察上表可知，本次设计的纸浆模缓冲包装，在保护大尺寸显示器方面，可以取得良好的效果，与厂家规定相符。

综上所述，在社会经济高速发展的背景下，人们生活质量不断提升，对显示器提出了尺寸方面的要求，在此背景下，大尺寸液晶显示器受到了人们的青睐，但大尺寸显示器与小尺寸显示器相比，更容易因为跌落而损坏。因此，建议包装生产企业应重视纸浆模衬垫的应用和优化，通过优化衬垫结构的方式，提高衬垫单体的承载能力，从而减少衬垫的使用数量，以满足厂家的规定和要求。