探討結(jié)構(gòu)變化對(duì)EPS緩沖包裝緩沖性能的影響

■ 文/珠海格力電器股份有限公司 程海瑞，金昊鵬，湯志平

0 引 言

包裝是在貨物運(yùn)輸及流通過(guò)程中為保護(hù)產(chǎn)品、方便儲(chǔ)運(yùn)、促進(jìn)銷售并按一定技術(shù)方法而采用容器、材料及輔助物等一系列技術(shù)措施的總稱。一件商品從生產(chǎn)到消費(fèi)者購(gòu)買往往會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的運(yùn)輸過(guò)程。為了保障產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程中不受破壞，廠家們紛紛為產(chǎn)品設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的包裝，這種包裝稱之為運(yùn)輸包裝。

產(chǎn)品在流通過(guò)程中，其受損主要出現(xiàn)在裝卸、運(yùn)輸和儲(chǔ)運(yùn)三個(gè)環(huán)節(jié)。在流通過(guò)程中有一定概率會(huì)發(fā)生產(chǎn)品跌落現(xiàn)象，此時(shí)產(chǎn)品受到的沖擊力一般是產(chǎn)品在整個(gè)過(guò)程中受到的最大沖擊力。因此，運(yùn)輸包裝在設(shè)計(jì)時(shí)主要研究的是如何降低跌落時(shí)產(chǎn)品受到的沖擊力

目前，市面上常見(jiàn)的運(yùn)輸包裝材料有塑料、木材、紙、聚苯乙烯泡沫（EPS）、珍珠棉（EPE）等，其中EPS因性能良好、價(jià)格低廉，被廣泛應(yīng)用在各種產(chǎn)品的包裝上。其緩沖機(jī)理是通過(guò)材料內(nèi)封閉的小氣泡以壓縮變形的方式吸收外界的沖擊載荷。因其緩沖機(jī)理，設(shè)計(jì)者大多忽視了其結(jié)構(gòu)對(duì)EPS緩沖性能的影響。目前EPS緩沖件的緩沖面多為平面結(jié)構(gòu)，而平面結(jié)構(gòu)到底是不是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案呢？本文將通過(guò)CAE軟件測(cè)試不同結(jié)構(gòu)的緩沖面對(duì)EPS緩沖包裝力學(xué)性能的影響，并以實(shí)例分析探索其對(duì)整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程帶來(lái)的影響，為包裝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 研究方法及目標(biāo)

1.1 選取某款產(chǎn)品的緩沖泡沫，調(diào)整其最大緩沖面的結(jié)構(gòu)，保障除調(diào)整緩沖面結(jié)構(gòu)外，其他結(jié)構(gòu)均保持不變，緩沖結(jié)構(gòu)調(diào)整后，緩沖件最厚處保持一致。

1.2 通過(guò)LS-DYNA軟件測(cè)試，僅緩沖面結(jié)構(gòu)有所不同，其他條件相同下的緩沖泡沫的堆碼、跌落場(chǎng)景下的力學(xué)性能，比較力學(xué)性能差異。

1.3 通過(guò)ANSYS靜力學(xué)板塊，測(cè)試相同壓力下不同結(jié)構(gòu)緩沖件的變形量，判定不同結(jié)構(gòu)緩沖件的堆碼性能。

1.4 測(cè)量其在不同結(jié)構(gòu)下的體積大小，探究其采購(gòu)及對(duì)后續(xù)產(chǎn)品運(yùn)輸成本的影響。

EPS緩沖件為模具成型，因而異型結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)工藝方面不會(huì)遇見(jiàn)瓶頸。本文將以平面、球面、棱臺(tái)面、棱臺(tái)和球體混合面四種不同的結(jié)構(gòu)面作為具體研究對(duì)象，其中平面為珠海格力電器股份有限公司現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案。研究具體對(duì)象如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 平面緩沖面

圖2 球面緩沖面

圖3 棱臺(tái)緩沖面

圖4 混合緩沖面

2 性能影響分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)的緩沖性能分析

通過(guò)LS-DYNA軟件對(duì)4種緩沖包裝進(jìn)行跌落仿真分析，通過(guò)獲取其內(nèi)裝物的最大加速度以及整個(gè)跌落過(guò)程中的能量變化，分析結(jié)構(gòu)對(duì)EPS緩沖性能的影響。

上述4種研究對(duì)象均是在某款空調(diào)內(nèi)機(jī)包裝衍生出來(lái)的，對(duì)其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方式已在上文提及，僅對(duì)其底面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，未改變其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，因此其內(nèi)裝物可保持一致。如圖5所示，為仿真對(duì)象簡(jiǎn)化后的三維模型。本文主要是探究泡沫的性能，僅需內(nèi)裝物的質(zhì)量與原模型的質(zhì)量保持相同即可。在本次分析中，可通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)裝物的密度來(lái)控制其質(zhì)量。

圖5 仿真對(duì)象模型

對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行跌落分析后，結(jié)果如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖6 平面結(jié)構(gòu)跌落能量變化圖

圖7 平面結(jié)構(gòu)跌落內(nèi)裝物加速度變化圖

圖8 球面結(jié)構(gòu)跌落能量變化圖

圖9 球面結(jié)構(gòu)跌落內(nèi)裝物加速度變化圖

圖10 棱臺(tái)面結(jié)構(gòu)跌落能量變化圖

圖11 棱臺(tái)面結(jié)構(gòu)跌落內(nèi)裝物加速度變化圖

圖12 混合面結(jié)構(gòu)跌落能量變化圖

圖13 混合面結(jié)構(gòu)跌落內(nèi)裝物加速度變化圖

通過(guò)整理上述加速度折線圖數(shù)據(jù)，可獲取不同結(jié)構(gòu)下內(nèi)裝物的最大加速度，如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)緩沖面下內(nèi)裝物最大加速度值

在包裝運(yùn)輸學(xué)中，判定產(chǎn)品跌落后損壞的一種方式是通過(guò)脆值來(lái)進(jìn)行判定，也就是將產(chǎn)品跌落后的最大加速度與產(chǎn)品許用脆值進(jìn)行比較。通過(guò)式（1）可知，若最大加速度小于產(chǎn)品許用脆值，則可判定此包裝設(shè)計(jì)合理，能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)產(chǎn)品不被破壞的目的。

其中：Gm為產(chǎn)品跌落最大加速度；Gc為產(chǎn)品脆值；n為產(chǎn)品許用系數(shù)，n≥1。

通過(guò)對(duì)比分析可知，圓球形結(jié)構(gòu)內(nèi)裝物最大加速度最小，可認(rèn)為此種結(jié)構(gòu)緩沖性能在四種結(jié)構(gòu)中最好，其次是平面結(jié)構(gòu)。

2.2 不同結(jié)構(gòu)的堆碼性能分析

按照國(guó)標(biāo)分別在不同結(jié)構(gòu)緩沖泡沫上施加相同的力，通過(guò)比較其變形量來(lái)獲取其堆碼能力。四種結(jié)構(gòu)下其堆碼結(jié)果如圖14、圖15、圖16、圖17所示。

圖14 平面結(jié)構(gòu)堆碼分析圖

圖15 球面結(jié)構(gòu)堆碼分析圖

圖16 棱臺(tái)結(jié)構(gòu)堆碼分析圖

圖17 混合結(jié)構(gòu)堆碼分析圖

通過(guò)以上4種不同結(jié)構(gòu)的堆碼分析，可得出以下數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。通過(guò)分析表中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)4種結(jié)構(gòu)的緩沖泡沫堆碼能力大致相同。

表2 不同結(jié)構(gòu)堆碼變形量

3 成本影響探究

通過(guò)分析可看出，緩沖面的不同結(jié)構(gòu)對(duì)EPS緩沖件的緩沖性能具有顯著影響，對(duì)緩沖件的堆碼能力影響較小。本文研究的幾種結(jié)構(gòu)中，EPS緩沖件整體性能以半球面結(jié)構(gòu)最為優(yōu)異。

從經(jīng)濟(jì)方面分析：如表3所示，通過(guò)比較產(chǎn)品整體體積，發(fā)現(xiàn)我司現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的體積最大，由于本次分析四種不同結(jié)構(gòu)泡沫的密度一致，因此通過(guò)公式（2）。

其中：p為密度，單位g/cm3；v為體積，單位cm3；m為質(zhì)量，單位g。

可知平面方案的質(zhì)量最大，由于泡沫成本是以質(zhì)量計(jì)算價(jià)格，因此平面方案的采購(gòu)成本最高，半球形結(jié)構(gòu)最低。半球形結(jié)構(gòu)的緩沖性能和成本均優(yōu)于常用的平面緩沖結(jié)構(gòu)。

表3 不同結(jié)構(gòu)緩沖泡沫體積參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以其他條件相同，緩沖面結(jié)構(gòu)不同的某款緩沖件為研究對(duì)象，首先明確研究目標(biāo)以及研究方法，其次通過(guò)LS-DYNA等CAE軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的緩沖件進(jìn)行分析，獲取產(chǎn)品跌落高度相同時(shí)不同結(jié)構(gòu)內(nèi)裝物的整體最大加速大以及不同結(jié)構(gòu)緩沖件在相同作用力下的變形量。

通過(guò)比較不同內(nèi)裝物的整體加速度，計(jì)算判定不同結(jié)構(gòu)緩沖件的緩沖優(yōu)劣性；通過(guò)比較不同結(jié)構(gòu)緩沖件的變形量，判定不同結(jié)構(gòu)緩沖件的堆碼性能。通過(guò)分析表明：不同結(jié)構(gòu)的緩沖面對(duì)緩沖件的緩沖能力有較大影響；在上述四種結(jié)構(gòu)中以半球形緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖性能最為優(yōu)異，且其采購(gòu)成本最低；合理的緩沖結(jié)構(gòu)不僅能提高緩沖件的緩沖性能，還能降低采購(gòu)成本以及后續(xù)的運(yùn)輸成本。