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现代包装力学的研究上

2021年07月06日 常德机械设备网

现代包装力学的研究(上)

[摘要] 包装工业现代化提出了许多与力学各分支学科相关的问题。从缓冲包装理论、产品脆值和破损边界理论、包装材料、包装容器和缓冲包装设计方法等方面,阐述了有关的力学问题和目前的研究工作进展,初步构划出现代包装力学的学科体系。

关键词:包装力学;包装动力学;缓冲包装;产品脆值;破损边界理论;包装材料;包装容器

1 包装的发展历史

包装是随着人类的进化、社会的变革、生产的发展和科学技术的进步逐渐发展的。史前时期,人类已学会用天然包装材料,如植物的茎叶、葛藤、荆条、树皮、兽皮等编织篮筐盛装、储存和运输食物。据考古发掘和史料记载,人类早在八千年以前就发明了织布和烧制陶瓷器,在西安市半坡村发掘出的中国新石器时代仰韶文化遗址上可看到,人类在六千多年前就会用各种杯形口尖底瓶、葫芦形瓶、蒜头形壶、圆底钵、浅腹圆底盆、折腹盆、弦纹夹砂罐和绳纹瓷等陶器,贮运不同食物和生活用水。人类采用头顶、肩杠和人抬等方式,小心翼翼地搬运这些装有食物的易碎容器。这种原始的搬运方式速度慢,搬运距离短,很容易损坏容器。经过长期的劳动实践,人类逐渐认识到引起运输容器损坏的原因是环境的振动和冲击作用。为有效保护物品,提高搬运效率,公元前十一世纪商朝末年出现了扁担,这是人类发明的最早的防震缓冲工具。

近代包装的历史应追溯到十八世纪的工业革命。资本主义商品经济的发展,促进了世界范围的贸易发展,包装受到了人们的重视,成为商品经济中

的一个重要环节。1930年出现的全球经济危机,促使生产者在设计产品包装时不仅考虑保护内装物的功能,还应增加促进销售的广告功能,于是诞生了现代包装。经济和科技的全球化及其迅猛发展,有力地促进了世界包装工业的发展,包装作为国民经济的服务产业,目前已形成一个以纸、塑料、金属、玻璃、印刷、机械为主要构成,拥有现代化技术和装备,门类较齐全的现代工业体系。“九五”期间,我国包装工业平均年增长12%,2000年包装工业产值达2200亿元。“十五”期间,我国包装工业仍将以8%的速度递增,预计2005年包装工业产值将达到3200亿元。

2 现代包装力学的研究进展

2.1 缓冲包装理论

1945年,美国贝尔电话实验室Mindlin建立了包装动力学的经典理论,论述了包装产品在跌落冲击过程中的运动规律,主要讨论单自由度包装产品的动力响应,也涉及无限自由度动力问题。由于按单自由处理包装系统具有简便性和工程实用性,单自由度缓冲包装理论在实践中得到广泛应用。但是实际的产品包装种类繁多,运输环境复杂,很多情况下必须按多自由度分析处理,才能得到较为合理的设计结果。如洗衣机等家电产品包装,多层堆码包装箱中产品的振动特性,平板玻璃、瓦楞纸板、蜂窝纸板、发泡塑料等动特性分析,都必须按多自由度或连续体处理。为此,Schell考虑了多自由度包装问题,认为质量比和刚度比将影响产品的响应。Urbanik研究了堆码瓦楞纸箱的振动传递率,奚德昌等讨论了双层商品包装和具有弹性元件的产品的防震缓冲问题[,王志伟将洗衣机包装处理成二自由度系统,研究了在典型脉冲激励下箱体和桶体的冲击谱,指出了合适的质量比和刚度比的重要性。

包装动力学问题的线性化处理,方法简单实用,便于阐明基本规律。但实际的缓冲包装系统是非线性的,研究工作向非线性拓宽才具有实际的价值。王志伟等系统研究了典型非线性缓冲包装系统的跌落冲击和脉冲冲击响应,分析了系统参数对冲击响应的影响]。非线性和随机性是缓冲包装系统的两个重要特征,但随机环境作用下非线性缓冲包装的分析设计工作至今还未完全展开。

2.2产品脆值和破损边界理论

脆值是指产品经受冲击后保持原有功能或不发生损伤时的许用最大冲击加速度值。脆值反映了产品抗冲击的能力,是产品冲击强度的一种指标,兼有功能保持能力的描述,理论分析、经验估算和直接测量都难以准确确定产品脆值。为此Komhauser,Pen-dered提出了破损灵敏度的概念。1968年Neo-ton教授提出了破损边界理论,用产品所能经受的典型加速度脉冲冲击的幅值和速度变化量来间接描述产品的脆值,作出破损边界曲线(横坐标为速度变化量,纵坐标为加速度幅值)。当所受加速度脉冲幅值或速度变化量小于其临界值时,即加速度脉冲坐标点位于破损边界曲线内侧,产品是安全的,否则,产品不安全。这一理论打开了脆值冲击试验的大门,奠定了现代缓冲包装设计的基础,在包装力学的发展上具有重大意义。

与此同时,Lansmint公司和MTS公司相继开发出适合确定产品破损边界的冲击试验机。1977年美国国家标准中采用了Neoton的破损边界理论。在测定产品破损边界曲线时,Schell建议用加速度脉冲的平均值代替幅值较为合理,采用后峰锯齿加速度脉冲冲击比Neoton的矩形加速度脉冲更接近实际情况,Goff和Pierce也曾建议采用半正弦加速度脉冲来测定产品破损边界曲

线。

破损边界曲线可由产品冲击试验测取,也可由产品冲击谱推演而得。汤伯森和王萍等分别推导了后峰锯齿脉冲和有限上升阶跃脉冲激励下的破损边界曲线。

破损边界除与产品脆值有关外,还与包装用缓冲材料的特性有关。上述破损边界的描述是针对线性缓冲材料情形的。但实际用于包装的缓冲材料均具有非线性特征,且大都是强非线特征。为此,王志伟、王振林等开展了非线性缓冲包装系统产品破损边界理论的研究。王振林等讨论了三次非线性缓冲包装的产品破损边界曲线。王志伟等采用统一的方法系统研究了线性和非线性系统(包括正切型、双曲正切型和三次型)在各种典型加速度脉冲(矩

形、半正弦、前峰锯齿和后峰锯齿)激励下的冲击谱和破损边界曲线,讨论了它们的重要特征,并开发了相应的软件系统。1998年,王振林等提出位移损坏边界的概念,指出了Neoton破损边界的适应条件

破损边界曲线对于缓冲包装系统的设计具有重要价值。这一概念是在不同加速度脉冲激励下评价产品脆值时发展起来的,但大多数包装产品在运输中的功能失效或损伤是由于跌落冲击造成的。在这种情况下,要测取作用在产品或包装件上的冲击加速度脉冲是十分困难的。为评价非线性包装系统的产品跌落损伤或功能失效,王志伟最近选取包装系统参数和无量纲跌落冲击速度作为两个基本的评价量,提出了跌落破损边界曲线的概念。

振动和随机激励是包装产品在运输中经常遇到的,产品承受振动、随机激励的能力与承受冲击激励的能力是不同的。1970年Rountree和Safford研究了随机振动下导弹仪器的脆值问题,宋宝峰于1992年给出了随机激励下产品脆值的定义。关于产品承受振动和随机激励能力的表征还有待于进一步的探索。

(待续)

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现代包装力学的研究上