现代包装力学的研究
日期：2019-01-03 / 人气：1107
［摘要］ 包装工业现代化提出了许多与力学各分支学科相关的问题。从缓冲包装理论、产品脆值和破损边界理论、包装材料、包装容器和缓冲包装设计方法等方面，阐述了有关的力学问题和目前的研究工作进展，初步构划出现代包装力学的学科体系。
关键词：包装力学；包装动力学；缓冲包装；产品脆值；破损边界理论；包装材料；包装容器
1 包装的发展历史
包装是随着人类的进化、社会的变革、生产的发展和科学技术的进步逐渐发展的。史前时期，人类已学会用天然包装材料，如植物的茎叶、葛藤、荆条、树皮、兽皮等编织篮筐盛装、储存和运输食物。据考古发掘和史料记载，人类早在八千年以前就发明了织a和烧制陶瓷器，在西安市半坡村发掘出的中国新石器时代仰韶文化遗址上可看到，人类在六千多年前就会用各种杯形口尖底瓶、葫芦形瓶、蒜头形壶、圆底钵、浅腹圆底盆、折腹盆、弦纹夹砂罐和绳纹瓷等陶器，贮运不同食物和生活用水。人类采用头顶、肩杠和人抬等方式，小心翼翼地搬运这些装有食物的易碎容器。这种原始的搬运方式速度慢，搬运距离短，很容易损坏容器。经过长期的劳动实践，人类逐渐认识到引起运输容器损坏的原因是环境的振动和冲击作用。为有效保护物品，提高搬运效率，公元前十一世纪商朝末年出现了扁担，这是人类发明的最早的防震缓冲工具。
近代包装的历史应追溯到十八世纪的工业革命。资本主义商品经济的发展，促进了世界范围的贸易发展，包装受到了人们的重视，成为商品经济中
的一个重要环节。1930年出现的全球经济危机，促使生产者在设计产品包装时不仅考虑保护内装物的功能，还应增加促进销售的广告功能，于是诞生了现代包装。经济和科技的全球化及其迅猛发展，有力地促进了世界包装工业的发展，包装作为国民经济的服务产业，目前已形成一个以纸、塑料、金属、玻璃、印刷、机械为主要构成，拥有现代化技术和装备，门类较齐全的现代工业体系。“九五”期间，我国包装工业平均年增长12%，2000年包装工业产值达2200亿元。“十五”期间，我国包装工业仍将以8%的速度递增，预计2005年包装工业产值将达到3200亿元。
2 现代包装力学的研究进展
2.1 缓冲包装理论
1945年，美国贝尔电话实验室Mindlin建立了包装动力学的经典理论，论述了包装产品在跌落冲击过程中的运动规律，主要讨论单自由度包装产品的动力响应，也涉及无限自由度动力问题。由于按单自由处理包装系统具有简便性和工程实用性，单自由度缓冲包装理论在实践中得到广泛应用。但是实际的产品包装种类繁多，运输环境复杂，很多情况下必须按多自由度分析处理，才能得到较为合理的设计结果。如洗衣机等家电产品包装，多层堆码包装箱中产品的振动特性，平板玻璃、瓦楞纸板、蜂窝纸板、发泡塑料等动特性分析，都必须按多自由度或连续体处理。为此，Schell考虑了多自由度包装问题，认为质量比和刚度比将影响产品的响应。Urbanik研究了堆码瓦楞纸箱的振动传递率，奚德昌等讨论了双层商品包装和具有弹性元件的产品的防震缓冲问题［，王志伟将洗衣机包装处理成二自由度系统，研究了在典型脉冲激励下箱体和桶体的冲击谱，指出了合适的质量比和刚度比的重要性。
包装动力学问题的线性化处理，方法简单实用，便于阐明基本规律。但实际的缓冲包装系统是非线性的，研究工作向非线性拓宽才具有实际的价值。王志伟等系统研究了典型非线性缓冲包装系统的跌落冲击和脉冲冲击响应，分析了系统参数对冲击响应的影响］。非线性和随机性是缓冲包装系统的两个重要特征，但随机环境作用下非线性缓冲包装的分析设计工作至今还未完全展开。
2.2产品脆值和破损边界理论
脆值是指产品经受冲击后保持原有功能或不发生损伤时的许用最大冲击加速度值。脆值反映了产品抗冲击的能力，是产品冲击强度的一种指标，兼有功能保持能力的描述，理论分析、经验估算和直接测量都难以准确确定产品脆值。为此Komhauser,Pen-dered提出了破损灵敏度的概念。1968年Neo-ton教授提出了破损边界理论，用产品所能经受的典型加速度脉冲冲击的幅值和速度变化量来间接描述产品的脆值，作出破损边界曲线（横坐标为速度变化量，纵坐标为加速度幅值）。当所受加速度脉冲幅值或速度变化量小于其临界值时，即加速度脉冲坐标点位于破损边界曲线内侧，产品是安全的，否则，产品不安全。这一理论打开了脆值冲击试验的大门，奠定了现代缓冲包装设计的基础，在包装力学的发展上具有重大意义。
与此同时，Lansmint公司和MTS公司相继开发出适合确定产品破损边界的冲击试验机。1977年美国国家标准中采用了Neoton的破损边界理论。在测定产品破损边界曲线时，Schell建议用加速度脉冲的平均值代替幅值较为合理，采用后峰锯齿加速度脉冲冲击比Neoton的矩形加速度脉冲更接近实际情况，Goff和Pierce也曾建议采用半正弦加速度脉冲来测定产品破损边界曲
线。
破损边界曲线可由产品冲击试验测取，也可由产品冲击谱推演而得。汤伯森和王萍等分别推导了后峰锯齿脉冲和有限上升阶跃脉冲激励下的破损边界曲线。
破损边界除与产品脆值有关外，还与包装用缓冲材料的特性有关。上述破损边界的描述是针对线性缓冲材料情形的。但实际用于包装的缓冲材料均具有非线性特征，且大都是强非线特征。为此，王志伟、王振林等开展了非线性缓冲包装系统产品破损边界理论的研究。王振林等讨论了三次非线性缓冲包装的产品破损边界曲线。王志伟等采用统一的方法系统研究了线性和非线性系统（包括正切型、双曲正切型和三次型）在各种典型加速度脉冲（矩
形、半正弦、前峰锯齿和后峰锯齿）激励下的冲击谱和破损边界曲线，讨论了它们的重要特征，并开发了相应的软件系统。1998年，王振林等提出位移损坏边界的概念，指出了Neoton破损边界的适应条件
破损边界曲线对于缓冲包装系统的设计具有重要价值。这一概念是在不同加速度脉冲激励下评价产品脆值时发展起来的，但大多数包装产品在运输中的功能失效或损伤是由于跌落冲击造成的。在这种情况下，要测取作用在产品或包装件上的冲击加速度脉冲是十分困难的。为评价非线性包装系统的产品跌落损伤或功能失效，王志伟最近选取包装系统参数和无量纲跌落冲击速度作为两个基本的评价量，提出了跌落破损边界曲线的概念。
振动和随机激励是包装产品在运输中经常遇到的，产品承受振动、随机激励的能力与承受冲击激励的能力是不同的。1970年Rountree和Safford研究了随机振动下导弹仪器的脆值问题，宋宝峰于1992年给出了随机激励下产品脆值的定义。关于产品承受振动和随机激励能力的表征还有待于进一步的探索。
2.3 包装材料
包装材料指的是用于制造包装容器和构成产品包装的材料的总称，它的种类包括木材、纸与纸板、玻璃、陶瓷、金属、塑料、纤维织物、复合材料以及诸如粘合剂、涂覆材料等各种辅助包装材料，其中纸与纸板、塑料、金属、玻璃成为包装工业的四大材料支柱。
包装材料学研究用于包装的各种原材料的种类、性能、应用范围及加工工艺过程。在包装材料的研制、开发和加工工艺过程中，包含着许多复杂而又深刻的力学问题。例如，双向拉伸塑料薄膜加工过程中，拉伸工艺选择、热处理定型及温度、双向张力、拉伸速度等控制对薄膜的机械力学性能、阻隔性及透明性等均具有决定性的影响。
各类包装材料加工工艺中的力学问题可参见有关材料科学著作，这里不作详述。
缓冲包装材料是包装材料中应用最为广泛的一类材料，主要有发泡塑料、瓦楞纸板、蜂窝纸板、模塑制品、气泡薄膜、纤维、碎屑状材料、橡胶等。这类材料主要用于运输包装，缓冲特性是其最为重要的性能，它一方面减弱产品对外界激励的响应，另一方面又耗散外界激励的能量。表征材料的缓冲特性最经典的方法是采用静态或动态材料本构关系。1952年Jansen提出基于变形能的缓冲系数概念来表征缓冲包装材料的性能，后来又扩展为动态缓冲系数概念。1961年Franklin和Hatae提出了最大加速度———静应力曲线。缓冲系数在缓冲包装设计方面有着重要应用，但要测取这些曲线，试验工作量十分巨大。McDaniel和Oykide,Cost率先对缓冲包装材料的性能进行了理论分析，胡强等对泡沫塑料衬垫提出了29个参数的非线性粘弹性模型，高德考虑温度、多次冲击、层数、变形种类等因素，提出了瓦楞纸板缓冲的理论模型，并进行了参数识别。梁艳春将结构化神经网络方法、模糊自适应控制技术以及进化计算应用于具有三次非线性和双曲正切非线性的缓冲包装材料模型识别问题，较好地获得了其非线性特征。
缓冲材料过去一直以发泡塑料为主，随着环境保护要求的发展，一批环保型缓冲材料已广泛应用于产品包装，如植物纤维材料、蜂窝纸板、多层瓦楞纸板和纸浆模塑制品等。这类新型缓冲材料的研制开发和缓冲特征的表征正在成为包装力学研究的重点领域。
2.4 包装容器
包装容器可分为各类纸盒、瓦楞纸箱、塑料容器、玻璃容器、金属容器和木容器等。瓦楞纸箱由于其重量轻、成本低、易加工印刷、易折叠、无公害等突出优点，目前已成为最为重要的运输包装容器，广泛应用于食品、饮料、水果、家电、日用百货、玻璃及陶瓷制品等的包装。瓦楞纸箱的抗压性能是评价瓦楞纸箱的重要指标。试验研究表明，瓦楞纸箱的抗压强度与纸箱周长、长宽比、高度、原纸环压强度、瓦楞楞型、瓦楞纸板种类、堆码时间、温湿度等有着较为复杂的关系，同时与开孔位置、印刷面积、制造技术等也有关。根据试验总结而得到的瓦楞纸箱抗压强度经验公式很多,，如Kellicutt公式、Maltenfort公式、Wolf公式、Makee公式、APM公司计算方法等，其中Kellicutt公式最为人们重视。基于这些公式的计算结果与实测还存在着较大差距。目前还没有理论公式来预测纸箱的抗压强度。玻璃瓶罐是又一类广泛使用的包装容器。对影响玻璃瓶罐结构强度（抗张强度、内压强度、热冲击强度、机械冲击强度、倒转强度、垂直载荷强度、水冲强度、跌落强度等）的因素前人已作过广泛的试验研究与理论分析。我们知道，瓶重、大、易破碎是玻璃瓶罐的一致命弱点。降低壁厚、减轻瓶重、提高强度是当前玻璃容器生产中引人注目的重要技术改革，是现代轻量瓶研制和生产的主要课题。为了提高玻璃瓶罐的强度和防止玻璃瓶罐由于表面划伤而降低强度，一方面玻璃瓶罐要有正确的造型设计，另一方面要对瓶罐表面进行增强处理。虽然目前有许多种玻璃瓶罐表面强化方法，但对这类强化的细微观力学机理研究几乎还是空白。
塑料瓶因具有许多优异的性能而被广泛应用于液体食品和药品包装上，大有取代普通玻璃瓶的趋势。目前包装上应用的塑料瓶品种PE,PP,PVC,PET,PS和PC等。通过改进材料和制瓶成型工艺提高其阻隔性，通过提高拉伸倍率在提高瓶体强度和气密性的同时降低瓶体重量，是塑料瓶发展的方向.
有限元仿真技术应用于制瓶成型工艺过程，对于提高塑料瓶的设计和制造水平、改进工艺参数和过程有着十分重要的作用。
2.5 缓冲包装设计方法
缓冲包装设计指根据产品脆值、运输环境条件和缓冲材料的特性等，运用缓冲包装理论设计防震缓冲结构.80年代提出的缓冲包装设计的五步法和六步法至今仍广为应用，这一方法属定值设计范畴。实际上，流通环境条件、产品脆值、缓冲材料性能、缓冲结构几何参数等都具有随机特征，用概率描述缓冲包装保护产品的能力更科学也更合理。为此，1977年王志伟在引入缓冲包装失效概率、可靠指标、状态函数等概念后，提出了基于概率理论的缓冲包装概率设计方法，并提出了最适度缓冲包装的概念，为进行最经济、最适度缓冲包装设计提供了理论基础］。吴为汉等探讨了物流过程中的包装可靠性问题。现代计算技术与计算机技术应用于缓冲包装设计有着广阔的前景。利用计算机，我们可以对缓冲包装系统进行数值分析和仿真实验，使缓冲包装设计、分析、优化一体化。目前，国内外在这方面的工作不多，大量的文献还仅停留在包装容器的计算机辅助设计。
综上所述，包装力学作为包装工程学科的一个重要分支学科，经过近几十年的发展，其研究领域不断拓广，研究内容不断深入，现已初步形成了自己独特的体系，它主要研究以下几个方面的内容。
（1） 包装件的流通环境条件。对包装件在装卸搬运、运输、贮存等流通基本环节中可能遇到的环境条件（包括运输条件、气候条件、生物化学条件等）作出调研、测试、评价、描述与标准化；
（2） 包装动力学的理论基础。对各类包装系统建立动力学模型，发展各种数值求解方法和相关理论；
（3） 脆值及其评价方法。理论和试验研究各类包装产品在不同环境激励下的脆值确定方法和边界破损理论；
（4） 包装材料的力学特性。理论和试验研究各类包装材料的静动力特性、本构关系，发展缓冲材料缓冲特性的表征方法和实验技术；
（5） 各类运输包装容器。研究运输包装容器的结构强度及其制造工艺中的相关力学问题；
（6） 缓冲包装设计。研究缓冲包装设计方法，发展产品缓冲包装设计、分析、优化一体化技术。
3 结语
包装工业正在由传统向现代工业发展，新的包装材料、技术、装备的涌现，丰富了现代包装力学的研究内容，现代力学的发展也为解决包装工程中的相关力学问题提供了条件。总体而言，现代包装力学发展时间不长，研究领域有待进一步扩展，研究内容也有待深化，现代计算技术、分析技术、试验技术在包装工程中的应用还处于起步阶段。我国包装工业的现代化需要力学学科的参与，同时也为力学学科自身的发展提供了更为广阔的天地。希望更多的力学工作者介入有关领域的研究，为我国包装工业的长足发展作出应有的贡献。
