包装动力学与缓冲包装设计
B1-缓冲包装动力学基本问题(33P)
缓冲包装动力学中的基本问题上海大学金国斌一. 流通环境动力学因素二. 包装动力学基本理论三．脆值理论及破损边界曲线四. 缓冲材料五. 缓冲包装设计六. 防振包装设计一. 流通环境动力学因素流通过程：以生产工厂为起点，以到达消费者手中为终点的整个过程。
流通环境条件：包装件在流通过程中所经历的一切外部因素。
包装动力学：主要研究在运输、装载过程中，商品在动态载荷（振动与冲击）和静态载荷（堆码压力）作用下，产生破坏的机理，并为实现有效包装防护的专门知识。
１. 流通中的振动与冲击（1）机械振动振动是包装件在流通过程中受到的主要危害之一。
包装件在流通中遭受的振动情况十分复杂，它随运输工具（车、船、飞机）、运输环境（路面、波浪、气流）、包装件本身结构状态（材质、固有频率）以及装载情况的变化而变化，这些因素大多是随机的。
包装件的振动属于复合随机振动。
①汽车运输中的振动在汽车运输过程中产生的振动加速度大小与路面状况、行驶速度、车型、载重量等因素有关，其中最主要的因素是路面状况。
路面越差，振动加速度越大；不同路面引起汽车振动，通过车厢底板传递给内装产品的振动被扩大。
汽车运输时，包装件的共振频率一般小于25Hz ，它与路面起伏引起的激励频率关系较大。
见表1。
汽车运输的振动特性还可用频率谱线来描述。
此频谱图反映了运输过程的频率分布及与其相关的加速度变化。
由随机振动理论知，振动环境条件可以用功率谱密度函数（PSD ）来表征。
图1所示为一种典型的功率谱密度曲线。
Hz g /2功率谱密度的物理意义在于可以看出不同频率范围上振动能量的分布情况，这里振动能量是用加速度值的均方值来表现的。
由于功率谱密度函数同时包括随机过程的频率成分和振动幅值成分的信息，在评价汽车在行驶中对包装件作用时具有极重要的实际意义。
图2所示的频谱图描绘了两种车型在不同载荷下以时速88.5千米行驶在某高速公路上时的振动情况。
② 火车运输中的振动火车振动有一个明显的周期性强迫振动。
缓冲包装设计
§§６缓冲包装设计§6－1概述冲击和振动是包装件在流通过程中受到的两种主要负荷，为了减缓内装产品受到外界的冲击和振动，保护产品免受损坏而采取一定防护措施的包装，称为缓冲包装。
缓冲包装的结构形式有多种多样，最常见的是采用弹性材料作缓冲衬垫。
缓冲衬垫的结构形式，因内装产品的质量、形状和尺寸不同而不同，按承载面积通常分为全面缓冲和局部缓冲。
全面缓冲多使用泡沫塑料条、纸板碎粒，薄片或采用现场发泡材料，局部缓冲多采用角垫，侧垫等形式。
缓冲包装设计包括冲击防护设计和振动防护设计。
冲击防护的主要目的是缓和冲击。
以缓冲材料作为内装物和包装箱中间的介质，来吸收冲击能量，延长内装产品承受冲击脉冲作用的时间。
设计时，先根据先决条件，计算缓冲材料的尺寸、形状，选择缓冲材料的种类和缓冲方式。
振动防护的主要目的是调节包装件的固有频率。
选择恰当的阻尼材料，把包装系统对振动的传递率控制在预定的范围内，特别是要避免共振现象。
§6－2缓冲衬垫设计的基本方法一、衬垫结构尺寸设计设计缓冲衬垫的基本要求是在保护产品免遭破损的前提下，选择适当的材料，确定合理的结构形状和尺寸。
设计的基本参数，除产品的重量和尺寸外，还有代表流通环境的跌落高度H，代表产品强度的脆值G，代表材料性能的缓冲特性参数C。
正确应用缓冲材料的特性曲线对包装结构作系统的定量分析，是缓冲结构设计的基本方法。
1. 应用缓冲系统――最大应力（c～σm）曲线设计衬垫尺寸c～σm曲线是表示材料缓冲能力的一种基本曲线，通过静态压缩试验求得。
如图5-12所示为几种常用缓冲衬垫最大缓冲系数――最大应力曲线的实际测试结果。
由图可知：缓冲系数C随最大应力变化的规律是凹谷状，开口向上，谷底最低点的坐标是最小缓冲系数和所对应的最应力。
① 不同品质的材料，具有不同的缓冲能力； ② 同样品种的材料，密度不同，缓冲特性也不同。
例6-1：重为10kg 的产品，脆值为80g ，要保证从60 cm 的高处跌落而不破损，若用密度为0.031g/cm 3的聚氯乙烯塑料泡沫，（见P99图5-12图线10作衬垫，试计算衬垫所需尺寸。
第四章 缓冲包装
（二）Gm≤ [G]＝ Gc/n（n＞1）其中： Gm：产品受到任何冲击时，都可能存在一个比Gc还大的加速度， 它取决于产品重量、冲击速度、缓材特性等。Gm=am/g； Gc：产品脆值（易损度），即产品受到冲击和振动时不发生物 理性或功能性损坏（如失效、失灵、商业性破损），所能承 受的最大加速度，Gc=ac/g(ac叫临界加速度)； [G]：许用脆值，根据产品的脆值，考虑产品的价值、强度偏差、 重要程度等而规定的产品许用最大加速度值，[G]= Gc/n（n ＞1）。 右式含义：Gc取决产品，产品一旦确定 ，Gc就确定了， 为常数，为了保护产品要限制其临界加速度（ac）；出于安 全考虑，产品价值的考虑，[G]= Gc/n（n＞1）。 左式含义：缓冲包装要避免产品承受最大加速度，在 跌落高度、冲击力方面加以控制，所以，Gm应小于或等于[G]。 在一些图表、曲线上，Gm、 Gc、[G]都有可能出现，都代表产 品的脆值。
例1 产品的重力为100N，底面积为60×40c㎡, 等效 跌落高为80㎝， 产品的许用脆值为50g，选用缓材的 c- σ m曲线如图c1的曲线所示，采用全面缓冲包装方 法（不考虑角垫或边垫）求需要的缓材厚度？
C 已知：W=100N ， [G]=50（g） A =60×40=2400㎝2 σ m =[G]· = W/A 50× 100/2400×104 = 20.8 Kpa 在20 Kpa垂直线附 近有4、5曲线， 选4曲线，C=5.2 T=C· H/[G]=5.2×80/ 50=8.3㎝
σm
局缓： （方正、均质、体积小、G适中） 步骤： ①在确定的c- σ m曲线上找出凹点处对应的c及 σ m（最小 缓冲系数） ②由公式（2） 计算衬垫厚度。由公式（1）计算受力面积。
例2 产品的重力为50N选用的缓材的特性曲线如图c1 的曲线2所示，H=50 ㎝，[G]=30g，求材料受力面积 和厚度（局部缓冲包装）。 解： 曲线（2）凹点对应的C=4.5 σ m =7 Kpa 则A= [G]×W/σ m×104 =30×50/7000×104 =2143㎝2 T=CH/[G]=4.5×50/30=7.5㎝
基于MapleSim的缓冲包装材料仿真方法的构建
基于MapleSim的缓冲包装材料仿真方法的构建商品从厂家制造出来，要在商家，经销商，消费者之间进行多次的运输与存储，而在这个过程之中，商品势必会受到外界的影响，从而损坏商品的质量或者破坏商品。
近年来，因物流运输包装不当造成的经济损失是相当惊人的。
据统计，近5年因包装在物流过程中的破损，每年给我国造成的直接经济损失高达100亿元以上，所以，为了防止这一现象的发生，需对商品进行缓冲包装设计，从而达到降低外界因素对于商品的损伤，达到保护商品的目的。
包装动力学是分析研究流通过程中机械冲击与振动在商品上产生的响应和采取相应包装措施的学科，研究对象是缓冲包装，分析内装产品在振动与冲击环境激励下破损的原因，并在经济的前提下提出防止内装产品破损的条件，为缓冲包装设计提供理论依据。
1 缓冲包装材料测试现状与不足研究证明在包装件运输过程中，产品损坏的主要原因是在运输流通中的冲击或振动。
运输包装作为物流环节保护产品的主要技术手段，其重要性不言而喻。
好的物流运输包装必须具有良好的缓冲性能和防振性能。
目前常见的物流运输包装缓冲性能的实验室测试试验包括：基于自由落下试验机的自由落下试验以及基于冲击跌落试验机的冲击跌落试验。
这两种测试试验的方法虽不尽相同，但测试原理是一致的，即：让测试的物流运输包装件从要求的高度落下，检测撞击发生的瞬间最大加速度（即外力）传递到产品上之后是否在该产品的承受范围之内，但不论上述何种方法均存在不足，描述如下：测试试验是一项费时费力（人力和物力）的工作。
通常，需要反复试验而不是一次试验才能得到预期的测试结果。
若测试试验未达标，除极少情况下可通过重新设计产品以提高其自身强度来满足设计要求外，更多情况下需要对物流运输包装本身进行重新设计。
此时，设计人员不得不从头开始进行缓冲材料评估与选择，重新进行尺寸或结构设计，最后再次重复测试试验。
这种重复劳动无疑大大降低了生产效率，增加了设计成本。
在实际生产中，设计人员并没用这么充裕的返工时间，因为面临激烈的市场竞争，越来越多的企业不得不选择缩短设计周期。
包装动力学与缓冲包装设计
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包装动力学与缓冲包装设计
冲击脆值的测定
利用冲击试验机或跌落试验机
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包装动力学与缓冲包装设计
不同脉冲波的冲击谱
1、有限上升阶跃波；2、矩形脉冲波； 3、半正弦脉冲波；4、后峰锯齿脉冲波
• Am/AM
•
• •
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fc
包装动力学与缓冲包装设计
冲击破损边界曲线（Damage Boundary Curve）
12.1.堆码。
13.2.在车辆上的瞬间载荷。
14.3.搬运方法（抓斗、吊索、吊装网、夹具等）引起的压力。
15.因限制引起的压力。
16.地面不平、仓储不平引起的不平衡支撑。
17.吊挂不妥、局部吊挂等引起的不平衡提升。
18.吊钩、手钩或突出部位的戳伤，滥用搬运设备或错误的搬运方法所
致。
包装动力学与缓冲包装设计
• 海船航行时存在6个方向的运动，每分钟可能摆7－8次，摆角 可能达40度，装在顶部的包装件的摆动幅度可能达到20米。出口 包装受到的冲击与振动一般是国内运输的50倍，尽量采用集装箱 运输。
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包装动力学与缓冲包装设计
脆值(Fragility)
美 国 Mindlin 教 授 在 1945 年 的 “ Dynamics of Packaging Cushioning”一文中首次提出了脆值概念：
作业内容 起吊上升
机械冲击
装卸作业 起重机作业的冲击
吊钩速度 （m/s）
10－13
冲击加速度 (g) 0.1－0.15
下降时紧急制动 －
0.9－1.2
正常着地
9－13
0.5－1.4
快速着地
包装动力学
Korrvu固位式(retention)缓冲包装
侧板上翻，放松薄膜，形成袋形空腔，放入产品；侧板 下折，拉紧固位薄膜，放入纸箱。展示性好，适合异形 产品无需设备，用再生纸30％，省材30％，节省仓储空 间，可复用。
发展动态
产品脆值的合理化：冲击脆值保守性；Shock Response Spectrum Analysis； 三 维 缓 冲 特 性 （Gm-σs-fc） 曲线。 包装动力学可靠性分析。 Ps=exp[-(Tσx’/2πσx)exp(-G2/2σx2)] （％） 运输包装CAD。 运输包装CAE(有限元分析FEA,统计能量分析 SEA) 运输包装CAT.
下降时紧急制动 － 正常着地 快速着地 9－13 13－16
铲车作业的冲击
作业内容 垂直方向 上升启动时 下降启动时 下降结束时 1.7 0.2 0.4-1 冲击加速 度（g） 左右方向 － － 0.1-0.2
前后方向 － 0.3 0.4-0.8
大量统计表明，包装件重量、跌落高度和发生 跌落概率之间，存在一定关系，公布过许多统计关 系曲线。如密歇根州立大学包装学院最近通过对某 c 条运输路线的跟踪研究，得到如下结果： 小尺寸包装件(L：轻型，20磅重；中型，30磅重）
冲击试验机与跌落试验机
1－试验样件，2－导轨，3－冲击台面， 4－程序器，5－升降装置，6－测试系统
冲击脆值的测定
利用冲击试验机或跌落试验机
Gm 0 0 DV
不同脉冲波的冲击谱
1、有限上升阶跃波；2、矩形脉冲波； 3、半正弦脉冲波；4、后峰锯齿脉冲波
Am/AM
2.5 2 1.5 1 系列1 系列2 系列3 系列4 1 3 5 7 9 11 13 15 17
包装动力学与 缓冲包装设计
第四章缓冲包装设计五步法
纸浆模塑
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
纤维橡胶与发泡橡胶
发泡橡胶
石棉橡胶板
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲材料的性质
冲击能量的吸收性 振动能量的吸收性 回弹性 蠕变性 温度稳定性 湿度稳定性 耐破损性
名称 聚乙烯或聚苯乙烯泡沫 聚氨酯泡沫 橡胶 硅橡胶 钢质螺旋弹簧
机械环境条件分级
4.1.1 冲击环境
缓冲包装设计用等效跌落高度来评价冲击环境的严酷程度
人工装卸的跌落高度可用经验公式计算，适用于15kg以上的包装件：
人工装卸的跌落冲击加速度通常在10g-100g，而机械装卸的跌落冲 击加速度在10g以下。
4.1.1 冲击环境
表3-4
4.1.1 冲击环境
跌落高度的测定
缓冲设计的公式
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫的基本设计
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
例1：一重力为100N的产品，脆值为80g，要保证从60cm的高处跌落而 不破损，规定用密度为0.031g/cm3的聚氯乙烯做衬垫，试计算衬垫所需 尺寸。
例2：用纸箱做内包装，把一重力为100N，脆值为30g的产品装入箱内， 用衬垫将它与外包装箱隔开，内装箱每面面积为2000cm2，设定等效跌 落高度为60cm，试选择适当地缓冲材料，并计算其尺寸。
跌落高度的概率密度曲线
4.1.1 冲击环境
图3-3
包装件的跌落高度概率曲线
4.1.2 振动环境
第六章运输包装缓冲设计 包装动力学教学课件
1.全面缓冲包装
1）定义：指包装容器内所剩余的空间，全部用 缓冲材料填充固定，对产品周围进行全面保 护的方法。
2）材料：丝状、薄片状或颗粒的材料（塑料细 条、碎粒、薄片）
第六章 运输包装缓冲设计 （重点、难点）
缓冲包装设计应遵循以下六个步骤 (1)确定环境 这里所说的环境，主要是运输过 程中造成产品破损的力学环境。主要指两点，一 是冲击，一是振动。 (2)分析产品 缓冲包装设计总是针对具体产品 的。因此，必须仔细考虑产品的脆值，许用脆 值，也就是产品耐冲击的强度、抗冲击的能力等。 还要认真考虑产品的形状、尺寸、体积、重量、 重心位置，以及数量等。
充气塑料薄膜 橡胶弹簧 3）特点：在受力部位和易损部位进行缓冲，节 省缓冲材料，适合大批量生产，是目前应用最广 的包装方法。
3.悬浮式缓冲包装法
1）方法：用弹簧把被包装件悬吊在包装容器内。
2）适用范围：精密脆弱产品，大型电子管，大 型电子计算机，制导装置。
3）特点：为了保证这种包装的运输可靠性，外 包装箱必须牢固。
选用原则：
G 20 选用弹簧（或多级缓冲）如：大型
计算机、精密仪器
30G250 选用泡沫塑料、海绵。如：
电视机、冰箱等。
400G600 选用橡胶、木材。
G 1000 不用缓冲材料。
二．缓冲衬垫尺寸的确定
1.
C
曲线的应用
m
该曲线是表示材料缓冲能力的一种基本曲
线，可通过静态或动态试验得到。
（1）在应用 C m曲线设计缓冲衬垫时，基
第二节 缓冲衬垫设计的基本方法
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产品损伤模式
l 弹性失效或失稳 l 脆性失效或断裂 l 疲劳失效 l 过度变性
运输作业――通常是研究各种载荷谱。最
大值如下：
公路运输：汽车以30km/h行驶时紧急制动可能产 生0.6-0.7g的负加速度；
汽车以20km/h在农村土路上行驶时可能产 生5-35g的冲击加速度。 铁路运输：车厢连挂、启动与制动的瞬态水平冲 击加速度可能达20g以上；
作业内容 起吊上升
机械冲击
装卸作业 起重机作业的冲击
吊钩速度 （m/s）
10－13
冲击加速度 (g) 0.1－0.15
下降时紧急制动 －
0.9－1.2
正常着地
9－13
0.5－1.4
快速着地
13－16
1.0－7.5
铲车作业的冲击
作业内容
冲击加速 度（g）
垂直方向 左右方向
前后方向
上升启动时 下降启动时 下降结束时
1.7 0.2 0.4-1
－ － 0.1-0.2
－ 0.3 0.4-0.8
大量统计表明，包装件重量、跌落高度和发生
跌落概率之间，存在一定关系，公布过许多统计关 系曲线。如密歇根州立大学包装学院最近通过对某 条运输路线的跟踪研c究1 ，得到如下结果： 小尺寸包装件(L：轻型，20磅重；中型，30磅重）
粉尘 水蒸气
流通中气候引起的损坏
典型环境
1.直接日晒。 2.接近锅炉或高温设备。 3.在隔热差的仓库或车辆中受间接日晒影响。 4.较高的环境气温。 1.寒冷天气时储存在无暖气仓库中。 2.在无暖气的机舱内。 3.冷藏 海拔高度改变、无增压机舱中、机舱压力失控。 1.直接日晒。 2.紫外线照射。 3.人造光源照射。 1.运输、装卸、仓储时下雨。 2.泥浆或洪水。 3.冷凝水、船渗水等。 1.海水溅到甲板上或驳船内的货物上。 2.码头上的海水泥浆等。 3.船舱中的污水或海水。 4.工业泥浆的喷溅。 暴露于风沙或粉尘中。 天然或人为湿气。
l 储存中的堆码―静载荷。主要校 核压稳定性。 l 运输中的冲击和振动―动载荷。
首先按冲击进行设计，然后检验 运输包装系统在共振状态下的损伤 情况。
储运中的机械性损坏
基本损坏 碰撞 a.垂直方向
a.水平方向
c.静止包装被其他包装碰撞 振动
压力 倾斜与变形 戳穿、撕破、磨损
典型现象
1.装卸时包装从吊装网、托盘、车辆、装卸板等上跌落至地面。 2.包装翻倒而碰撞到另一面。 3.从滑槽或传送带上落下。 4.抛掷。 1.铁路或公路车辆制动或启动。 2.回转式起重机使被吊包装碰撞墙壁等。 3.在滑槽或传送带上因停车或其他原因而发生包装间碰撞。 4.圆筒式包装滚动搬运停止时发生碰撞。 5.抛掷。 上述情况中，运动的包装互相碰撞。 1.在工厂、仓库或转运点的搬运设备上的振动。 2.公路运输中的振动。 3.铁路运输中的振动。 4.水运中的振动。 5.空运中的振动。 1.堆码。 2.在车辆上的瞬间载荷。 3.搬运方法（抓斗、吊索、吊装网、夹具等）引起的压力。 1.因限制引起的压力。 2.地面不平、仓储不平引起的不平衡支撑。 3.吊挂不妥、局部吊挂等引起的不平衡提升。 吊钩、手钩或突出部位的戳伤，滥用搬运设备或错误的搬运方法所致。
• 2003年：社会物流总成本24974亿，其中：运输14028亿，保管 7376亿，管理成本3570亿，相当于GPD的21.4%(1991为24%，美、 日等仅10％，降1％即250亿！)。落后原因：迂回运输、重复搬运、 物资损坏或丢失。
• 全国社会物流货物总额295 437亿，其中：工业品249570亿，农产 品11261亿，进口货物物流总值34193亿，邮政物流总额136亿。全 国货物周转量57152亿吨公里，其中：铁路17092，公路7010，水 运32275，航空58。全国主要港口国际集装箱吞吐量4735.5万标箱， 占世界的比重达17.9%；港口货物吞吐量33亿吨。
运输包装的建模
m1dx12/dt2=k1(x2-x1)+c1(dx2/dt-dx1/dt)+F1(t) m2dx22/dt2=-k1(x2-x1)-c1(dx2/dt-dx1/dt)- k2x2-c2dx2/dt+F2(t)
F1
c1k1 m1
m1
c1
k1 F2
m2
c2
k2
m3
m3 c2k2 m2
产品流通中的动力学环境条件
包装动力学与 缓冲包装设计
彭国勋 中国包装技术协会技术顾问
陕西科技大学教授
物流中的运输包装
科学、经济、方便、标准化、系列化、 管理现代化、循环经济
面向现代物流的包装技术
• 在制造企业和商业企业面临日益激烈的全球化竞争的新形势下， 降低物流成本已经成为企业的第三利润来源。现代物流系统，以 信息技术为核心，集合包括包装技术在内的多种技术，对于传统 行业转轨变型、调整结构、优化流程、降低成本，发挥了重大作 用，风险进一步减少，服务水平得到提高。包装设计将直接影响 物流活动的生产率，没有合理而科学的包装将零散的商品成组化 和信息化，就没有现代的物流系统。
1
Rx(τ)=
lim
T
1 2T
T
x(t)x(t τ)dt
T
Sx(ω)=
Rx(τ)exp(-iωτ)dτ
X(t)
X(t)
Sx(ω)
t
φ/ω
T
ω t
机械振动功率谱(卡车）
G2/Hz 1 3 5 7 9 11 13
卡车
0.6 0.4 0.2
0
Hz
G2/Hz
G (g)
10
1 0.2
0.1
0.01
火车
火车
f (Hz)
空运
飞机 10
G (g)
1 6
0.1
0.01 螺桨飞机
f (Hz) 直升机
喷气飞机
G (g)
100
10
1 0.1
0.1
0.01
水运
水运
f (Hz)
正常
风暴
自然环境
• 雨淋 • 潮湿 • 高温 • 冷冻 • 阳光 • 虫、鼠 • 辐射 • 防盗
基本损坏 高温
低温
低压 光
水 (a)淡水 (b)污水
累计发生次数 （％）
100
50
S/L
S/M
0
0
35
68
105
跌落高度H (cm)
大尺寸包装件 （H：重型，45磅重）
累计发生次数 （％）
100
80
60
L/M
40
L/H
20
0
0
40
74
109
跌落高度H (cm)
通过数理统计分析，可得如下经验关系式：
Gm=W-
Gm－包装件经受到的最大加速度（＝801， ＝0.704 中冲击现象 ＝203， ＝0.306 低冲击现象 ＝53.2， ＝0.100
堆码高度对冲击加速度影响较大，如货车
以5.7km/h速度碰撞时，底层加速度为1.7g,頂层则 高达7g左右。 航空运输：遇恶劣天气产生剧烈颠簸时可能产生 2－3g的加速度。 水上运输：除装卸外，冲击不大。
频域分析
x(t)=Acos(ωt+φ), f=ω/2π
x(t)=A0+
N
Ansin(2nπf0t+φn)