緩沖包裝設計 CAD 開發(fā)

■ 文/匯源印刷包裝科技（天津）股份有限公司 陳 飛

1 引 言

緩沖包裝的目的是在運輸、裝卸和存儲過程中，當發(fā)生振動、沖擊等外力作用時，用于保護被包裝產(chǎn)品的特性和形態(tài)。緩沖襯墊作為緩沖包裝的重要組成部分，在緩沖包裝設計中具有重要作用。

然而，傳統(tǒng)的運輸包裝設計，首先需要根據(jù)實驗得到產(chǎn)品的脆值，再根據(jù)流通條件進行緩沖襯墊、外包裝容器的計算和紙箱結構的優(yōu)化設計，還要進行校核和長時間的實踐檢驗，最后才能得到較為理想的產(chǎn)品包裝。傳統(tǒng)運輸包裝設計過程繁復、方案選擇不夠靈活，可修改性和可擴充性差，極大地制約了緩沖包裝設計的發(fā)展。因此，緩沖包裝計算機輔助設計的發(fā)展，可以極大地提高設計的靈活性，減少設計周期，降低設計成本[1-3]。

要采用計算機輔助技術設計緩沖包裝，就需要考慮到包裝設計方法、包裝材料性能及包裝結構優(yōu)化等諸多方面，與傳統(tǒng)緩沖包裝設計相比難度大大提高，因此，目前在這一方面的研究較少。

本設計采用Visual Basic 6.0開發(fā)平臺[4]，使用編程語言并輔之以數(shù)據(jù)庫，直接使用編譯軟件來開發(fā)緩沖包裝CAD系統(tǒng)[5]，作為緩沖包裝的輔助設計工具。該軟件基于一定的理論、方法和技術并借助于計算機完成緩沖包裝的設計過程；在已知產(chǎn)品和流通條件下，可直接求解產(chǎn)品脆值，并設計出合乎要求且經(jīng)濟可行的緩沖襯墊和外包裝容器；繪制圖形，并且進行強度校核及結果輸出。

2 緩沖包裝設計 CAD 系統(tǒng)的組成

緩沖包裝CAD設計系統(tǒng)由用戶權限確認模塊、產(chǎn)品參數(shù)輸入模塊、跌落高度確定模塊、緩沖材料選擇模塊、計算模塊、校核模塊、輸出模塊等功能模塊組成。本設計系統(tǒng)總流程圖如下圖1所示。

圖1 緩沖包裝CAD設計總流程圖

2.1 用戶權限確認模塊

登錄軟件系統(tǒng)需要輸入相應的賬號和密碼信息，主要用以確定用戶的合法性，確認登錄后即可進入下一頁面。

2.2 產(chǎn)品參數(shù)輸入模塊

用戶可在此界面中輸入產(chǎn)品基本參數(shù)，如質(zhì)量、長度、寬度、高度等。此外，還可以通過查詢國際標準，得到產(chǎn)品的許用脆值。

產(chǎn)品的許用脆值是根據(jù)產(chǎn)品的脆值，考慮到產(chǎn)品的價值、強度偏差、重要程度等而規(guī)定的產(chǎn)品的許用最大加速度與重力加速度g的比值。產(chǎn)品脆值是指產(chǎn)品經(jīng)受振動和沖擊時用以表示其強度的定量指標，此值表示產(chǎn)品對外力的承受能力，一般用g的倍數(shù)G來表示，G值越大，說明產(chǎn)品對外力的承受能力越強。產(chǎn)品脆值的確定方法有沖擊試驗法、自由跌落試驗法和經(jīng)驗估算法。國際公認脆值計算方法為產(chǎn)品破損前的臨界加速度a與g的比值。

此外，脆值大小取決于產(chǎn)品本身（構成、材質(zhì)、連接方式等），產(chǎn)品一定，脆值就一定，但同一產(chǎn)品在不同方向上的脆值不一定相同。究其原因在于產(chǎn)品的脆值各有差異，使用不當時會引起商品的破損。同時，產(chǎn)品的最大加速度響應也可以用來評價其破損情況，因此流通環(huán)境的沖擊強度必須小于產(chǎn)品脆值。

2.3 跌落高度確定模塊

此模塊可以通過流通狀況查詢或應用經(jīng)驗公式求得產(chǎn)品的跌落高度。

流通過程的基本環(huán)節(jié)主要有裝卸搬運環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、貯存環(huán)節(jié)組成。不論是人工或者機械裝卸，都可能因為人為因素或者偶發(fā)因素使包裝件自由跌落。此時沖擊碰撞發(fā)生于包裝件地面之間，根據(jù)測定，人工裝卸的跌落沖擊加速度通常在10g左右，最高達100g。人工裝卸中的跌落高度可以用公式（1）計算，該方法適用于16 kg以上的包裝件。

式中W為包裝件重量（kg）；H為跌落高度（cm）。

2.4 緩沖材料選擇模塊

用戶可以通過查詢數(shù)據(jù)庫，選定具體所需的緩沖材料。在包裝力學中，一般都把緩沖材料視為理想的彈性體，也就是在長時間反復振動和多次沖擊下，它的彈性仍然均勻，沒有變化。根據(jù)力-變形曲線可以把緩沖材料分為以下幾類。

2.4.1 線彈性材料

具有線彈性性質(zhì)的材料是極少的，該材料的力-變形曲線呈直線型（即在使用范圍內(nèi)符合虎克定律），這意味著該材料線彈性范圍較大，在材料使用過程中始終未超過其線彈性值。

2.4.2 正切型緩沖材料

具有正切函數(shù)型力-變形曲線的材料很多，如泡沫橡膠、棉花、乳膠海綿、碎紙、涂膠纖維以及預壓后的聚苯乙烯泡沫塑料等。該材料力與變形的函數(shù)關系如式（2）所示：

式中：當x→∞時的斜率；k0稱為初始彈性系數(shù)；db為材料的極限變形；當x→db時，F(xiàn)→∞。

2.4.3 雙正切性彈性材料

瓦楞紙板、蜂窩板、聚苯乙烯泡沫塑料等塑性材料在受到外力作用的初期表現(xiàn)的力學性質(zhì)為此類型。該材料力與變形的函數(shù)關系如式（3）所示，其中F0為力的極限值。

2.4.4 三次函數(shù)型彈性材料

該類材料力與變形的函數(shù)關系如式（4）所示：

式中：γ是彈性系數(shù)增加率。生活中常見的吊裝彈簧結構、木屑、塑料絲、涂膠纖維等材料都屬于這一類彈性體。

2.4.5 不規(guī)則彈性材料

該類材料力-變形曲線很難用單一數(shù)學關系式來表達，大部分高分子發(fā)泡材料屬于這類彈性體。

2.5 計算模塊

根據(jù)設計要求，本設計采用最省材料的緩沖設計方法，即過原點切線法。該方法設計出的襯墊可能出現(xiàn)不能完全滿足設計要求的情況，但可為設計提供取值范圍，即在最小緩沖系數(shù)與切點處緩沖系數(shù)之間選擇一個合適點進行設計，既滿足緩沖要求，又節(jié)省用料。借助以上模塊所得數(shù)據(jù)，可以計算出緩沖襯墊的各屬性參數(shù)。

計算時需要對緩沖襯墊結構進行設計，緩沖襯墊最常見的形式有面襯墊、棱襯墊和角襯墊，它們多適用于形狀規(guī)則的產(chǎn)品。而對于形狀不規(guī)則的產(chǎn)品，如有突出支臂的零部件，在包裝結構設計上要采取適當?shù)拇胧＠纾簩⒕彶呐c產(chǎn)品間加硬質(zhì)膠合板或纖維板隔開，增大受力面積；或?qū)⒕彶呐c產(chǎn)品非必要接觸部分挖空，縮小接觸面積。緩沖襯墊受力時會發(fā)生變形，凸起部分先受力，為避免發(fā)生損傷，必須預先留出緩沖材料的變形量。

2.6 校核模塊

緩沖襯墊的校核分為：產(chǎn)品強度校核、撓度校核、跌落姿態(tài)改變時緩沖能力的校核、蠕變量校核和溫濕度校核。由于角跌落對包裝件損害程度較大，考慮到設計要求，本設計僅進行全面緩沖包裝角跌落校核。經(jīng)過多種校核，確定所選材料是否合適。

2.7 輸出模塊

模塊化輸出襯墊圖形及產(chǎn)品參數(shù)，供用戶核實，并提供打印功能。此外，輸出后需要對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行匯總分析，以便能在短時間內(nèi)查詢到所需求的信息。同時，對于數(shù)據(jù)的保密性、完整性，應采取跟蹤調(diào)查，嚴格確保用戶信息的安全性。

3 總 結

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，計算機在包裝應用領域的普及，使用計算機實現(xiàn)緩沖包裝設計勢在必行。同時，利用CAD軟件設計開發(fā)緩沖襯墊，可大大提高產(chǎn)品緩沖包裝的設計效率。因此，研發(fā)緩沖包裝CAD軟件系統(tǒng)是緩沖包裝設計的必然趨勢，對促進緩沖包裝的應用研究起到積極作用，對提高包裝行業(yè)的自動化水平也有一定的推動作用。

緩沖包裝設計軟件系統(tǒng)的研發(fā)工作涉及包裝學科的多個領域，還需要深入開展理論和實踐研究工作，尤其是對集成式軟件的研究開發(fā)，可以極大地推動包裝工業(yè)的自動化水平，開拓良好的應用前景。