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缓冲包装设计理论的发展及其方向

为保护商品在流通过程中，不因受到冲击和振动而破损，所施行的包装称为缓冲防振包装，亦称缓冲包装。随着经济的发展，产品跨省、跨国运输的增多，产品的缓冲包装愈来愈受到人为拉力实验机设计油箱时们的关注。合理设计包装结构，使商品在运翰、装卸及贮藏过程中的损失减小到最低，这便是缓冲包装的重要意义。

1 缓冲包装设计理论的发展概况

在第二次世界大战期间，以各种军需物资，尤其是高精密的各种电子设备的运输为诱因，美国贝尔实验室的MindlinLU和他所领导的研究小组把机械领域的振动分析理论应用到历来靠‘试探法’或凭经验进行分析和设计的包装领域中来，形成了独特的‘缓冲包装理论’。1968年，Newton「2」提出了包装产品破损的边界条件理论，建立了脆性评定定理及其测试方法，并被载入美国材料试验标准(ASTM)。Mindlin和Newton开创性的工作奠定了现代缓冲包装分析和设计的基础。

20世纪80年代，基于脆值的边界条件理论，美国MTS系统有限公司与密执安州立大学包装学院共同研制出缓冲包装的5步设计法，稍后又发展了更为完善的缓冲包装设计的六步法(1)确定流通环境条件；(2)产品脆值估计；(3)产品重新设计；(4)衬垫材料的计控制仪器算；(5)设计包装系统；(6)试验包装系统原形，并给出了每一步骤应贯彻的ASTM标准「3」，从而使

缓冲包装设计理论取得了迅速的进展。

近十几年来，各国学者包括我国包装科技工作者的广泛重视和积极投入，大大促进了缓冲包装设计理论的交流与发展，在诸如缓冲包装的计算机辅助设计技术、各类线性和非线性缓冲包装系统的冲击和振动响应分析、缓冲包装系统分析设计模型、缓冲包装概率设计方法等领域，取得了一系列重要成果。

总之，从Mindlin发表论文以来的40多年中，缓冲包装设计理论的研究已经取得了很大进展，缓冲材料的力学特征、产品脆值评定、动力学模型和设计方法等方面的研究日趋实用与精确，缓冲包装的设计实践也日益合理。主要成果体现在以下几个方面L4]：

1)建立了产品缓冲与隔振的理论；

2)测定了大量产品不发生物理损伤或功能失效所能承受的最大加速度值，即产品脆值；

3)各主要工业国家都先后开展了流通环境的调查试验，并取得了很大成果，为产品的包装运输试验打下了坚实的基础； 、

4)研制了很多先进的包装测试设备，并把计算机应用于包装测试数据封口机械处理和缓冲防振包装设计中；

5)很多国家(包括我国)制定了各种有关缓冲防振的包装标准。

2 缓冲包装设计理论存在的问题

虽然缓冲包装技术的研究已经取得了很大进展，但是，缓冲包装设计理论与方法目前还存在大量的问题需要进一步研究和探索，主要体现在以下几个方面：

1）Newton所提出的破损边界表征物品易损度的方法是建立在把包装件看成单自由度线性包装系统的理论基础之上，但实际的产品，尤其是精密的电子仪器，具有多个脆弱元件，且不同的冲击频率、波形对产品产生不同的冲击放大率，产品的不同响应又对产品的脆弱元件形成不同的激励及冲击放大率。因此，作为缓冲包装设计的重要依据的脆值评价方法，其本身还有待发展，但至今尚未有更具权威性、更合理的试验理论和方法问世[4」。

2)在包装工程中，按单自由度处理问题，除了具有它的实用性和简单性外。在研究包装动力学的基本规律上也是十分重要的。但理论上讲，任何一种产品都可以看作具有无限个自由度，即使仅考虑有限的几个脆弱元件，很多物品包装也必须按2个或多个自由度处理，才能提供合理的包装设椰子计。基本情况有2种：一种是包装内容物本身就是个多自由度系统，如某些仪器设备等，它们的质量、弹性元件和阻尼元件的大小和分布与缓冲包装系统相当，如果强行简化成单自由度系统，就可引起较大的误差；另一种是大包装中又有分包装，如采用集装箱运输等。但目前的国内外标准中尚未列入多自由度包装问题[4)。

3)在包装设计过程中，由于太注重于缓冲而忽视了防振包装。前述的缓冲包装设计六步法的第四步‘衬垫材料的计算’中便提出应考虑冲击和振动相协调的问题，然而只有缓冲设计部分才有标准可参照，至于防振包装部分则没有任何标准可以使用。许多实际产品破损案例的调查与分析表明，随着商品运输设备和装卸技术的发展，冲击往往不是产品破损的主要原因，破损往往是由振动引起的。但目前防振包装技术研究不足，或者说缓冲和防振未能很好地进行组合设计。不足之处主要在于「5」：第一，在缓冲设计后，只校核包装系统会不会发生共振，或只是利用隔振原理进行被动隔振设计；第二，利用冲击脆值作为一次超越损坏来进行设计，但实际上很多元件是在重复载荷条件下发生损坏的。鉴于上述，防震包装设计尚需作进一步深入的研究。

4)前述的缓冲包装设计的五步法或六步法均属“定值设计法’的范畴。当缓冲包装满足设计条件时，定值设计法认为包装产品是绝对安全的，否则认为是绝对不安全的。实际上，流通环境条件、缓冲材料性能、缓冲衬垫几何参数、产品脆值等设计参数都具有随机变化的特征，含有大量的主观和客观不确定性，难以确切表征产品缓冲包装的适合程度。因而缓冲包装产品的防护能力应当用概率来描述「6」，笔者认为建立缓冲包装的概率设计方法是十分适当和必要的。

3 缓冲包装设计理论的发展方向

3．1 计算机辅助缓冲包装设计和分析

目前在产品的缓冲包装设计过程中，缓冲材料的选择和尺寸计算不仅须查找很多图、表，而且需要大量时间来计算、分析、比较，最终选出合理的缓冲包装方案。这种传统的手工设计方式因其过程繁复、方案选择较难及较大程度地依赖设计人员的自身经验等不足之处，在一定程度制约了缓冲包装设计的发展。计算机模拟及信息监控系统技术迅速渗透到包装设计领域，使得计算机辅助缓冲包装设计和分析成为可能。将计算机引入产品的设计开发可使人们从以往繁杂的手工设计中解放出来，显著缩短产品的研发周期，而且计算结果准确可靠。因此各主要工业国家都投入大量人力、物力开发各种智能包装系统「7」。计算机辅助设计技术在缓冲包装领域中，必将有更为广阔的应用前景。

3．2 基于系统分析的缓冲包装设计

从系统的观点看，缓冲包装是一项系统工程，应按系统分析一系统设计—系统实施一系统运行与评价等阶段顺序去开发缓冲包装系统。但是，在以往的缓冲包装系统开发过程中，由近则运至我国东南沿海、长3角、珠3角于开发人员关注更多的是包装系统的设计本身，忽略了其它几个阶段，特别是系统分析阶段的重要性，以致因不合理的包装设计所造成的资源浪费是很大的「8」。为了最大限度地减少缓冲包装系统开发过程中的资源浪费，并力求开发出一个最优的包装系统，必须按系统工程的规律去开发缓冲包装系统，使之具有最佳的保护性、经济性、社会适应性和生态特性，这既是缓冲包装系统的总体目标，也是缓冲包装设计理论的发展方向。

3．3 引入可靠性理论研究缓冲包装的设计问题

如前所述，缓冲包装的设计受到流通环境条件、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的因素的影响，难以确切表征产品缓冲包装的适合程度。由于可靠影响制件外观性理论与方法能够更客观准确地反映外界激励和结构性能的变化特性对于设计结构的影响，因此引入可靠性概念研究受到大量不确定性因素影响的缓冲包装设计问题是十分适当和必要的。即考虑用包装产品的失效概率或可靠度指标来表征缓冲包装保护产品的能力和缓冲包装的合适程度，应用概率方法来设计缓冲包装。可靠性理论与方法在缓冲包装设计中的研究与应用，必将使缓冲包装产品具有更好的经济性和适用性。

(文/周明艳 张峻岭 包装工程）

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