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运输包装理论与技术发展动态

时间:2021-08-19 来源网站:榆树市化工机械网

运输包装理论与技术发展动态

运输包装,在我国国标(GB/ T4122. 1 - 1996)中定义为:以运输储存为主要目的的包装称之为运输包装,它具有保障产品的安全,方便储运装卸,加速交接、点验等作用。作为包装工程学科的一个分支,运输包装主要研究在流通过程中引起包装件损坏的各种危害,研究造成这些危害的多种因素和将损坏减少到最低程度所应采取的技术或管理手段。通常包括包装动力学的理论基础、包装件的流通环境条件、脆值及其评价方法、缓冲包装材料及动力学特性、缓冲包装设计以及运输包装系统的设计与实验等内容[1]。

在现代物流系统中,运输包装是一个重要的组成要素。由于全球物流运输距离长、运量大,运输过程中产品需要堆积、存放,多次装卸,导致商品损伤的可能性很大,造成破损率过高,运输成本提高。要想解决这些问题,运输包装理论和技术尤为重要。

纵观几十年来该学科的发展情况,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“5 步法,运输包装理论和技术蓬勃发展。如今,国内外学者积极研究包装动力学与运输包装技术,可谓日臻完善。近年来最新发展动态主要有以下5个方面内容,有些内容在国际上处于领先,具有深远的研究前景。

1 产品脆值合理化[2]

产品脆值问题是包装动力学的核心内容之一。对产品脆值的深入研究不但在促进学科建设,完善学科理论方面有重要意义,而且对于发展技术创新、实施合理包装设计方面具有实用价值。要在运输包装设计中达到合理的缓冲减振目的,必须使产品脆值合理化。

脆值,在我国国标GBS166 - 87 中定义为:产品不发生物理损伤或功能失效所能承受的最大加速度。这一概念以及基于脆值的破损边界理论及应用,是针对机械冲击的,但从学科发展角度看,是不完整的,因为产品在运输流通中,不仅冲击是产品破损的主要原因,振动也是主要原因,甚至在一定条件下,振动造成的破坏程度更加突出。因此需要有更合理的脆值来指导缓冲包装设计。随着运输包装理论的进一步发展,脆值概念的内涵和外延都在不断地深入与升华。目前,欧、美、日等地区的包装专家仍在继续深入研究产品脆值理论,我国在这方面的研究已具有较高水平。

1. 1 机械振动脆值

为区别起见,传统的脆值称为机械冲击脆值,在机械冲击动态载荷下的产品破损边界问题称为“ 第1 类破损边界问题" 。现讨论最新提出的机械振动脆值,在机械振动载荷下的产品破损边界问题,称为“第2 类破损边界问题”。

该理论认为,振动的破坏模型有两种:振动峰值破坏模型和振动疲劳破坏模型。前者注重的是振动峰值超过极限值即可引起产品的损伤,因此可把振动峰值加速度的极限值视为产品的冲击脆值,用机械冲击脆值来处理。实质上,机械振动脆值问题就集中在后者疲劳破损,其相应的第2 类破损边界曲线用G-N 曲线或G-Tf表示,其中纵坐标G 为振动加速度值,横坐标N 为在此加速度下不发生产品破损或失效的最大允许的振动循环次数,Tf为失效平均时间。这2 种曲线实质上是一样的。

1. 2 2 类脆值的结合问题

这已成为运输包装研究者深入探讨的一个技术课题。目前十分成熟的缓冲设计方法是应用机械冲击脆值理论及第一类破损边界曲线,但若同时考虑冲击和振动因素对产品破损的影响,就可应用第2 类破损边界曲线,推动产品减振包装设计的进展,并使2 类脆值问题能够协调结合。

2 运输包装可靠性分析

运输包装可靠性又称包装动力可靠性。所谓可靠性,一般情况下定义为:产品或结构系统在一定载荷条件下和一定时间范围内完成规定功能的能力[3]。

要全面衡量某一产品的可靠性,除了考虑固有可靠性,使用可靠性以外,还必须包括包装可靠性。包装可靠性涉及流通环节中的振动、冲击、温湿度、气候条件、生物条件等所引起的一切外部因素。但由于产品的破损原因主要来自冲击和振动,因此包装可靠性重点考虑这二者。包装的可靠度越高,显然其破损率越低,但是包装的成本则会增加。因此,分析、研究并计算产品包装的可靠性已成为全面评价产品性能系统中不可缺少的重要内容,也已成为改善运输包装结构设计的一个重要手段[4]。

张业鹏等介绍一种利用ANSYS 软件对缓冲包装结构可靠性进行分析的方法,以达到对缓冲包装结构可靠性低成本、高效率进行评价的目的[5]。

3 运输包装CAD

利用传统的包装设计方法,要达到理想的运输包装设计目标,必然花费大量的人力物力和财力。运输包装CAD 能显著缩短设计周期,提高工作效率和质量。

典型的运输包装CAD 软件系统包括5 大模块:产品脆值求解模块,缓冲设计与校核模块、包装容器(纸箱)结构设计与校核模块,容器结构优化设计模块和运输包装设计原型输出模块。系统内各模块相对独立,又相互依赖,各自完成一部分功能,又可共同完成产品包装结构设计的任务。

近10 年来,国内外的包装研究人员在运输包装CAD 系统方面的研究和开发卓有成效。如王保升提出了缓冲包装CAD软件开发应该注意的问题,为缓冲包装CAD 软件的开发提供了一条可行的思路[6]。卢立新等介绍了基于图形库与数据库的缓冲包装CAD 系统的总体结构、功能模块以及关键技术[7]。

4 运输包装CAE

应用传统的“5 步法”进行缓冲设计时,对包装件的测试(冲击、振动等)属于破坏性实验方法,而大型结构产品、价格昂贵产品、精密产品、高危险性产品等都是不允许对其进行破坏性实验的。即使允许,在测试成本上也是不合理的。因此应用先进的非破坏性实验法运输包装CAE( 计算机辅助工程)。CAE 技术的应用,可在产品研发的前期来检验产品设计的合理性,减少运输试验的次数,降低试验成本,缩短产品的研发周期。

4. 1 动态仿真及有限元分析法(FEA)

动态仿真技术和FEA 法相互结合,形成适应实际情况的产品性能预测理论,再通过实验室的实验验证,对运输包装件的最终结构设计方案作出合理恰当的评价。理论模型的模拟预测结果经实验证实是可靠正确的,就可解决同类结构系统的性能分析。

该方法的总体程序一般为:输入包装/ 产品结构系统的全面特性,以及包装用缓冲材料特性等信息;应用FEA 法,以合适的网格将产品包装结构系统离散化,建立相应的数学力学模型;以运输流通环境中产品/ 包装系统可能承受的动态载荷做激励;应用FEA 法分析产品/ 包装系统存在哪个/ 哪些易损件及其位置,求得响应,进而分析其结构的易损性及可靠性问题;最后输出产品脆值及其破损边界曲线、结构系统的共振频率、易损件的动态响应曲线、可能发生破损的零件及失效模式等[2]。冯广平等提出了利用美国MSC 公司的CAE 仿真软件(MarcPatranDytran 等)对冰箱产品的结构和包装方案进行分析,找出了产品设计及包装方案设计中的不足之处,从而降低产品成本,提高包装对产品的防护能力[8]。

4. 2 统计能量分析(SEA)

SEA 是预测分析工具和结构系统的最佳化方法,在运输包装的有关产品及其材料振动载荷试验中有实用潜力。该法可预测产品包装系统中的最薄弱环节,再分析其在一定运输环境条件下抵抗或承受动态载荷的能力,如预测机械冲击脆值,这正是运输包装中应用SEA 的实用价值。

为推动统计能量分析法(SEA)的发展,一些大学的实验室开展了一系列试验研究,同时也促进了运输包装中材料和产品振动试验研究及其各项结果的可能实际应用。实验室试验研究结果表明,SEA 在产品包装的试验评价工作中将具有十分广阔的使用前景。

5 运输包装CAT

传统的包装测试主要包括包装材料和包装性能测试、运输包装件基本试验、商品性能以及流通环境对包装件“ 危害”量值因素的测量[9]。在计算机高速发展的今天,运输包装CAT(计算机辅助测试)在包装测试领域举足轻重,它提高了测试效率、分析深度和检测精度。一般包括信号采集、数据处理、显示打印等模块。随着计算机及各种硬件的发展,运输包装CAT已经实现了“虚拟仪器”和“移动实验室”的创新设想。综上所述,运输包装理论与技术日益完善,通过国内外学者的不懈努力,必将提升到更高更新的水平,从而促进运输包装事业的快速发展。

信息来源:包装工程

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