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摘要] 概述了近年來運(yùn)輸包裝理論與技術(shù)最新發(fā)展動(dòng)態(tài),涉及產(chǎn)品脆值合理化、運(yùn)輸包裝可靠性、運(yùn)輸包裝CAD、CAE、CAT五方面內(nèi)容,均具有深遠(yuǎn)的研究意義。 關(guān)鍵詞:運(yùn)輸包裝;脆值;可靠性;CAD;CAE;CAT 運(yùn)輸包裝,在我國國標(biāo)(GB/T4122.1-1996)中定義為:以運(yùn)輸儲存為主要目的的包裝稱之為運(yùn)輸包裝,它具有保障產(chǎn)品的安全,方便儲運(yùn)裝卸,加速交接、點(diǎn)驗(yàn)等作用。作為包裝工程學(xué)科的一個(gè)分支,運(yùn)輸包裝主要研究在流通過程中引起包裝件損壞的各種危害;研究造成這些危害的多種因素和將損壞減少到最低程度所應(yīng)采取的技術(shù)或管理手段。通常包括包裝動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)、包裝件的流通環(huán)境條件、脆值及其評價(jià)方法、緩沖包裝材料及動(dòng)力學(xué)特性、緩沖包裝設(shè)計(jì)以及運(yùn)輸包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。 在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中,運(yùn)輸包裝是一個(gè)重要的組成要素。由于全球物流運(yùn)輸距離長、運(yùn)量大,運(yùn)輸過程中產(chǎn)品需要堆積、存放,多次裝卸,導(dǎo)致商品損傷的可能性很大,造成破損率過高,運(yùn)輸成本提高。要想解決這些問題,運(yùn)輸包裝理論和技術(shù)尤為重要。 縱觀幾十年來該學(xué)科的發(fā)展情況,從1945年Mindlin首次提出緩沖系數(shù)的重要概念到1968年Newton提出產(chǎn)品破損邊界條件理論,再到20世紀(jì)70年代末美國密歇根州立大學(xué)和MTS公司共同制定的緩沖包裝設(shè)計(jì)“5步法,運(yùn)輸包裝理論和技術(shù)蓬勃發(fā)展。如今,國內(nèi)外學(xué)者積極研究包裝動(dòng)力學(xué)與運(yùn)輸包裝技術(shù),可謂日臻完善。近年來最新發(fā)展動(dòng)態(tài)主要有以下5個(gè)方面內(nèi)容,有些內(nèi)容在國際上處于領(lǐng)先,具有深遠(yuǎn)的研究前景。 1 產(chǎn)品脆值合理化 產(chǎn)品脆疽問題是包裝動(dòng)力字的核心內(nèi)容之一。對產(chǎn)品脆值的深入研究不但在促進(jìn)學(xué)科建設(shè),完善學(xué)科理論方面有重要意義,而且對于發(fā)展技術(shù)創(chuàng)新、實(shí)施合理包裝設(shè)計(jì)方面具有實(shí)用價(jià)值。要在運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)中達(dá)到合理的緩沖減振目的,必須使產(chǎn)品脆值合理化。 脆值,在我國國標(biāo)GBSl66-87中定義為:產(chǎn)品不發(fā)生物理損傷或功能失效所能承受的******加速度。這一概念以及基于脆值的破損邊界理論及應(yīng)用,是針對機(jī)械;中擊的,但從學(xué)科發(fā)展角度看,是不完整的,因?yàn)楫a(chǎn)品在運(yùn)輸流通中,不僅沖擊是產(chǎn)品破損的主要原因,振動(dòng)也是主要原因,甚至在一定條件下,振動(dòng)造成的破壞程度更加突出。因此需要有更合理的脆值來指導(dǎo)緩;中包裝設(shè)計(jì)。隨著運(yùn)輸包裝理論的進(jìn)一步發(fā)展,脆值概念的內(nèi)涵和外延都在不斷地深入與升華。目前,歐、美、日等地區(qū)的包裝專家仍在繼續(xù)深入研究產(chǎn)品脆值理論,我國在這方面的研究已具有較高水平。 1.1 機(jī)械振動(dòng)脆值 為區(qū)別起見,傳統(tǒng)的脆值稱為機(jī)械沖擊脆值,在機(jī)械沖擊動(dòng)態(tài)載荷下的產(chǎn)品破損邊界問題稱為“第1類破損邊界問題”。現(xiàn)討論最新提出的機(jī)械振動(dòng)脆值,在機(jī)械振動(dòng)載荷下的產(chǎn)品破損邊界問題,稱為“第2類破損邊界問題”。 該理論認(rèn)為,振動(dòng)的破壞模型有兩種:振動(dòng)峰值破壞模型和振動(dòng)疲勞破壞模型。前者注重的是振動(dòng)峰值——超過極限值即可引起產(chǎn)品的損傷,因此可把振動(dòng)峰值加速度的極限值視為產(chǎn)品的沖擊脆值,用機(jī)械沖擊脆值來處理。實(shí)質(zhì)上,機(jī)械振動(dòng)脆值問題就集中在后者——疲勞破損,其相應(yīng)的第2類破損邊界曲線用G-N曲線或G-Tf表示,其中縱坐標(biāo)G為振動(dòng)加速度值,橫坐標(biāo)N為在此加速度下不發(fā)生產(chǎn)品破損或失效的******允許的振動(dòng)循環(huán)次數(shù),Tf為失效平均時(shí)間。這2種曲線實(shí)質(zhì)上是一樣的。 1.2 2類脆值的結(jié)合問題 這已成為運(yùn)輸包裝研究者深入探討的一個(gè)技術(shù)課題。目前十分成熟的緩沖設(shè)計(jì)方法是應(yīng)用機(jī)械沖擊脆值理論及第一類破損邊界曲線,但若同時(shí)考慮沖擊和振動(dòng)因素對產(chǎn)品破損的影響,就可應(yīng)用第2類破損邊界曲線,推動(dòng)產(chǎn)品減振包裝設(shè)計(jì)的進(jìn)展,并使2類脆值問題能夠協(xié)調(diào)結(jié)合。 2 運(yùn)輸包裝可靠性分析 運(yùn)輸包裝可靠性又稱包裝動(dòng)力可靠性。所謂可靠性,一般情況下定義為:產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在一定載荷條件下和一定時(shí)間范圍內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。 要全面衡量某一產(chǎn)品的可靠性,除了考慮固有可靠性,使用可靠性以外,還必須包括包裝可靠性。包裝可靠性涉及流通環(huán)節(jié)中的振動(dòng)、沖擊、溫濕度、氣候條件、生物條件等所引起的一切外部因素。但由于產(chǎn)品的破損原因主要來自沖擊和振動(dòng),因此包裝可靠性重點(diǎn)考慮這二者。包裝的可靠度越高,顯然其破損率越低,但是包裝的成本則會(huì)增加。因此,分析、研究并計(jì)算產(chǎn)品包裝的可靠性已成為全面評價(jià)產(chǎn)品性能系統(tǒng)中不可缺少的重要內(nèi)容,也已成為改善運(yùn)輸包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要手段。 張業(yè)鵬等介紹一種利用ANSYS軟件對緩沖包裝結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行分析的方法,以達(dá)到對緩沖包裝結(jié)構(gòu)可靠性低成本、高效率進(jìn)行評價(jià)的目的。 3 運(yùn)輸包裝CAD 利用傳統(tǒng)的包裝設(shè)計(jì)方法,要達(dá)到理想的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)目標(biāo),必然花費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力。運(yùn)輸包裝CAD能顯著縮短設(shè)計(jì)周期,提高工作效率和質(zhì)量。 典型的運(yùn)輸包裝CAD軟件系統(tǒng)包括5大模塊:產(chǎn)品脆值求解模塊,緩沖設(shè)計(jì)與校核模塊、包裝容器(紙箱)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核模塊,容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊和運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)原型輸出模塊。系統(tǒng)內(nèi)各模塊相對獨(dú)立,又相互依賴,各自完成一部分功能,又可共同完成產(chǎn)品包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)。 近10年來,國內(nèi)外的包裝研究人員在運(yùn)輸包裝CAD系統(tǒng)方面的研究和開發(fā)卓有成效。如王保升提出了緩沖包裝CAD軟件開發(fā)應(yīng)該注意的問題,為緩沖包裝CAD軟件的開發(fā)提供了一條可行的思路。盧立新等介紹了基于圖形庫與數(shù)據(jù)庫的緩沖包裝CAD系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、功能模塊以及關(guān)鍵技術(shù)。 4 運(yùn)輸包裝CAE 應(yīng)用傳統(tǒng)的“5步法”進(jìn)行緩沖設(shè)計(jì)時(shí),對包裝件的測試(沖擊、振動(dòng)等)屬于破壞性實(shí)驗(yàn)方法,而大型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、價(jià)格昂貴產(chǎn)品、精密產(chǎn)品、高危險(xiǎn)性產(chǎn)品等都是不允許對其進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)的。即使允許,在測試成本上也是不合理的。因此應(yīng)用先進(jìn)的非破壞性實(shí)驗(yàn)法——運(yùn)輸包裝CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)。CAE技術(shù)的應(yīng)用,可在產(chǎn)品研發(fā)的前期來檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性,減少運(yùn)輸試驗(yàn)的次數(shù),降低試驗(yàn)成本,縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。 4.1 動(dòng)態(tài)仿真及有限元分析法(FEA) 動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)和FEA法相互結(jié)合,形成適應(yīng)實(shí)際情況的產(chǎn)品性能預(yù)測理論,再通過實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對運(yùn)輸包裝件的最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案作出合理恰當(dāng)?shù)脑u價(jià)。理論模型的模擬預(yù)測結(jié)果經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)是可靠正確的,就可解決同類結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的性能分析。 該方法的總體程序一般為:輸入包裝/產(chǎn)品結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的全面特性,以及包裝用緩沖材料特性等信息;應(yīng)用FEA法,以合適的網(wǎng)格將產(chǎn)品包裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)離散化,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型;以運(yùn)輸流通環(huán)境中產(chǎn)品/包裝系統(tǒng)可能承受的動(dòng)態(tài)載荷做激勵(lì);應(yīng)用FEA法分析產(chǎn)品/包裝系統(tǒng)存在哪個(gè)/哪些易損件及其位置,求得響應(yīng),進(jìn)而分析其結(jié)構(gòu)的易損性及可靠性問題;最后輸出產(chǎn)品脆值及其破損邊界曲線、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的共振頻率、易損件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線、可能發(fā)生破損的零件及失效模式等。馮廣平等提出了利用美國MSC公司的CAE仿真軟件(Marc Patran Dytran等)對冰箱產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和包裝方案進(jìn)行分析,找出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)及包裝方案設(shè)計(jì)中的不足之處,從而降低產(chǎn)品成本,提高包裝對產(chǎn)品的防護(hù)能力 4.2 統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA) SEA是預(yù)測分析工具和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的******化方法,在運(yùn)輸包裝的有關(guān)產(chǎn)品及其材料振動(dòng)載荷試驗(yàn)中有實(shí)用潛力。該法可預(yù)測產(chǎn)品包裝系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié),再分析其在一定運(yùn)輸環(huán)境條件下抵抗或承受動(dòng)態(tài)載荷的能力,如預(yù)測機(jī)械沖擊脆值,這正是運(yùn)輸包裝中應(yīng)用SEA的實(shí)用價(jià)值。 為推動(dòng)統(tǒng)計(jì)能量分析法(SEA)的發(fā)展,一些大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開展了一系列試驗(yàn)研究,同時(shí)也促進(jìn)了運(yùn)輸包裝中材料和產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)研究及其各項(xiàng)結(jié)果的可能實(shí)際應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究結(jié)果表明,SEA在產(chǎn)品包裝的試驗(yàn)評價(jià)工作中將具有十分廣闊的使用前景。 5 運(yùn)輸包裝CAT 傳統(tǒng)的包裝測試主要包括包裝材料和包裝性能測試、運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)、商品性能以及流通環(huán)境對包裝件“危害”量值因素的測量。在計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的今天,運(yùn)輸包裝CAT(計(jì)算機(jī)輔助測試)在包裝測試領(lǐng)域舉足輕重,它提高了測試效率、分析深度和檢測精度。一般包括信號采集、數(shù)據(jù)處理、顯示打印等模塊。隨著計(jì)算機(jī)及各種硬件的發(fā)展,運(yùn)輸包裝CAT已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“虛擬儀器”和“移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室”的創(chuàng)新設(shè)想。 綜上所述,運(yùn)輸包裝理論與技術(shù)日益完善,通過國內(nèi)外學(xué)者的不懈努力,必將提升到更高更新的水平,從而促進(jìn)運(yùn)輸包裝事業(yè)的快速發(fā)展。
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