現(xiàn)代包裝力學(xué)的研究
日期：2019-01-03 / 人氣：1383
［摘要］ 包裝工業(yè)現(xiàn)代化提出了許多與力學(xué)各分支學(xué)科相關(guān)的問題。從緩沖包裝理論、產(chǎn)品脆值和破損邊界理論、包裝材料、包裝容器和緩沖包裝設(shè)計方法等方面，闡述了有關(guān)的力學(xué)問題和目前的研究工作進(jìn)展，初步構(gòu)劃出現(xiàn)代包裝力學(xué)的學(xué)科體系。
關(guān)鍵詞：包裝力學(xué)；包裝動力學(xué)；緩沖包裝；產(chǎn)品脆值；破損邊界理論；包裝材料；包裝容器
1 包裝的發(fā)展歷史
包裝是隨著人類的進(jìn)化、社會的變革、生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步逐漸發(fā)展的。史前時期，人類已學(xué)會用天然包裝材料，如植物的莖葉、葛藤、荊條、樹皮、獸皮等編織籃筐盛裝、儲存和運(yùn)輸食物。據(jù)考古發(fā)掘和史料記載，人類早在八千年以前就發(fā)明了織a和燒制陶瓷器，在西安市半坡村發(fā)掘出的中國新石器時代仰韶文化遺址上可看到，人類在六千多年前就會用各種杯形口尖底瓶、葫蘆形瓶、蒜頭形壺、圓底缽、淺腹圓底盆、折腹盆、弦紋夾砂罐和繩紋瓷等陶器，貯運(yùn)不同食物和生活用水。人類采用頭頂、肩杠和人抬等方式，小心翼翼地搬運(yùn)這些裝有食物的易碎容器。這種原始的搬運(yùn)方式速度慢，搬運(yùn)距離短，很容易損壞容器。經(jīng)過長期的勞動實踐，人類逐漸認(rèn)識到引起運(yùn)輸容器損壞的原因是環(huán)境的振動和沖擊作用。為有效保護(hù)物品，提高搬運(yùn)效率，公元前十一世紀(jì)商朝末年出現(xiàn)了扁擔(dān)，這是人類發(fā)明的最早的防震緩沖工具。
近代包裝的歷史應(yīng)追溯到十八世紀(jì)的工業(yè)革命。資本主義商品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)了世界范圍的貿(mào)易發(fā)展，包裝受到了人們的重視，成為商品經(jīng)濟(jì)中
的一個重要環(huán)節(jié)。1930年出現(xiàn)的全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)，促使生產(chǎn)者在設(shè)計產(chǎn)品包裝時不僅考慮保護(hù)內(nèi)裝物的功能，還應(yīng)增加促進(jìn)銷售的廣告功能，于是誕生了現(xiàn)代包裝。經(jīng)濟(jì)和科技的全球化及其迅猛發(fā)展，有力地促進(jìn)了世界包裝工業(yè)的發(fā)展，包裝作為國民經(jīng)濟(jì)的服務(wù)產(chǎn)業(yè)，目前已形成一個以紙、塑料、金屬、玻璃、印刷、機(jī)械為主要構(gòu)成，擁有現(xiàn)代化技術(shù)和裝備，門類較齊全的現(xiàn)代工業(yè)體系。“九五”期間，我國包裝工業(yè)平均年增長12%，2000年包裝工業(yè)產(chǎn)值達(dá)2200億元。“十五”期間，我國包裝工業(yè)仍將以8%的速度遞增，預(yù)計2005年包裝工業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到3200億元。
2 現(xiàn)代包裝力學(xué)的研究進(jìn)展
2.1 緩沖包裝理論
1945年，美國貝爾電話實驗室Mindlin建立了包裝動力學(xué)的經(jīng)典理論，論述了包裝產(chǎn)品在跌落沖擊過程中的運(yùn)動規(guī)律，主要討論單自由度包裝產(chǎn)品的動力響應(yīng)，也涉及無限自由度動力問題。由于按單自由處理包裝系統(tǒng)具有簡便性和工程實用性，單自由度緩沖包裝理論在實踐中得到廣泛應(yīng)用。但是實際的產(chǎn)品包裝種類繁多，運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜，很多情況下必須按多自由度分析處理，才能得到較為合理的設(shè)計結(jié)果。如洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品包裝，多層堆碼包裝箱中產(chǎn)品的振動特性，平板玻璃、瓦楞紙板、蜂窩紙板、發(fā)泡塑料等動特性分析，都必須按多自由度或連續(xù)體處理。為此，Schell考慮了多自由度包裝問題，認(rèn)為質(zhì)量比和剛度比將影響產(chǎn)品的響應(yīng)。Urbanik研究了堆碼瓦楞紙箱的振動傳遞率，奚德昌等討論了雙層商品包裝和具有彈性元件的產(chǎn)品的防震緩沖問題［，王志偉將洗衣機(jī)包裝處理成二自由度系統(tǒng)，研究了在典型脈沖激勵下箱體和桶體的沖擊譜，指出了合適的質(zhì)量比和剛度比的重要性。
包裝動力學(xué)問題的線性化處理，方法簡單實用，便于闡明基本規(guī)律。但實際的緩沖包裝系統(tǒng)是非線性的，研究工作向非線性拓寬才具有實際的價值。王志偉等系統(tǒng)研究了典型非線性緩沖包裝系統(tǒng)的跌落沖擊和脈沖沖擊響應(yīng)，分析了系統(tǒng)參數(shù)對沖擊響應(yīng)的影響］。非線性和隨機(jī)性是緩沖包裝系統(tǒng)的兩個重要特征，但隨機(jī)環(huán)境作用下非線性緩沖包裝的分析設(shè)計工作至今還未完全展開。
2.2產(chǎn)品脆值和破損邊界理論
脆值是指產(chǎn)品經(jīng)受沖擊后保持原有功能或不發(fā)生損傷時的許用最大沖擊加速度值。脆值反映了產(chǎn)品抗沖擊的能力，是產(chǎn)品沖擊強(qiáng)度的一種指標(biāo)，兼有功能保持能力的描述，理論分析、經(jīng)驗估算和直接測量都難以準(zhǔn)確確定產(chǎn)品脆值。為此Komhauser,Pen-dered提出了破損靈敏度的概念。1968年Neo-ton教授提出了破損邊界理論，用產(chǎn)品所能經(jīng)受的典型加速度脈沖沖擊的幅值和速度變化量來間接描述產(chǎn)品的脆值，作出破損邊界曲線（橫坐標(biāo)為速度變化量，縱坐標(biāo)為加速度幅值）。當(dāng)所受加速度脈沖幅值或速度變化量小于其臨界值時，即加速度脈沖坐標(biāo)點位于破損邊界曲線內(nèi)側(cè)，產(chǎn)品是安全的，否則，產(chǎn)品不安全。這一理論打開了脆值沖擊試驗的大門，奠定了現(xiàn)代緩沖包裝設(shè)計的基礎(chǔ)，在包裝力學(xué)的發(fā)展上具有重大意義。
與此同時，Lansmint公司和MTS公司相繼開發(fā)出適合確定產(chǎn)品破損邊界的沖擊試驗機(jī)。1977年美國國家標(biāo)準(zhǔn)中采用了Neoton的破損邊界理論。在測定產(chǎn)品破損邊界曲線時，Schell建議用加速度脈沖的平均值代替幅值較為合理，采用后峰鋸齒加速度脈沖沖擊比Neoton的矩形加速度脈沖更接近實際情況，Goff和Pierce也曾建議采用半正弦加速度脈沖來測定產(chǎn)品破損邊界曲
線。
破損邊界曲線可由產(chǎn)品沖擊試驗測取，也可由產(chǎn)品沖擊譜推演而得。湯伯森和王萍等分別推導(dǎo)了后峰鋸齒脈沖和有限上升階躍脈沖激勵下的破損邊界曲線。
破損邊界除與產(chǎn)品脆值有關(guān)外，還與包裝用緩沖材料的特性有關(guān)。上述破損邊界的描述是針對線性緩沖材料情形的。但實際用于包裝的緩沖材料均具有非線性特征，且大都是強(qiáng)非線特征。為此，王志偉、王振林等開展了非線性緩沖包裝系統(tǒng)產(chǎn)品破損邊界理論的研究。王振林等討論了三次非線性緩沖包裝的產(chǎn)品破損邊界曲線。王志偉等采用統(tǒng)一的方法系統(tǒng)研究了線性和非線性系統(tǒng)（包括正切型、雙曲正切型和三次型）在各種典型加速度脈沖（矩
形、半正弦、前峰鋸齒和后峰鋸齒）激勵下的沖擊譜和破損邊界曲線，討論了它們的重要特征，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。1998年，王振林等提出位移損壞邊界的概念，指出了Neoton破損邊界的適應(yīng)條件
破損邊界曲線對于緩沖包裝系統(tǒng)的設(shè)計具有重要價值。這一概念是在不同加速度脈沖激勵下評價產(chǎn)品脆值時發(fā)展起來的，但大多數(shù)包裝產(chǎn)品在運(yùn)輸中的功能失效或損傷是由于跌落沖擊造成的。在這種情況下，要測取作用在產(chǎn)品或包裝件上的沖擊加速度脈沖是十分困難的。為評價非線性包裝系統(tǒng)的產(chǎn)品跌落損傷或功能失效，王志偉最近選取包裝系統(tǒng)參數(shù)和無量綱跌落沖擊速度作為兩個基本的評價量，提出了跌落破損邊界曲線的概念。
振動和隨機(jī)激勵是包裝產(chǎn)品在運(yùn)輸中經(jīng)常遇到的，產(chǎn)品承受振動、隨機(jī)激勵的能力與承受沖擊激勵的能力是不同的。1970年Rountree和Safford研究了隨機(jī)振動下導(dǎo)彈儀器的脆值問題，宋寶峰于1992年給出了隨機(jī)激勵下產(chǎn)品脆值的定義。關(guān)于產(chǎn)品承受振動和隨機(jī)激勵能力的表征還有待于進(jìn)一步的探索。
2.3 包裝材料
包裝材料指的是用于制造包裝容器和構(gòu)成產(chǎn)品包裝的材料的總稱，它的種類包括木材、紙與紙板、玻璃、陶瓷、金屬、塑料、纖維織物、復(fù)合材料以及諸如粘合劑、涂覆材料等各種輔助包裝材料，其中紙與紙板、塑料、金屬、玻璃成為包裝工業(yè)的四大材料支柱。
包裝材料學(xué)研究用于包裝的各種原材料的種類、性能、應(yīng)用范圍及加工工藝過程。在包裝材料的研制、開發(fā)和加工工藝過程中，包含著許多復(fù)雜而又深刻的力學(xué)問題。例如，雙向拉伸塑料薄膜加工過程中，拉伸工藝選擇、熱處理定型及溫度、雙向張力、拉伸速度等控制對薄膜的機(jī)械力學(xué)性能、阻隔性及透明性等均具有決定性的影響。
各類包裝材料加工工藝中的力學(xué)問題可參見有關(guān)材料科學(xué)著作，這里不作詳述。
緩沖包裝材料是包裝材料中應(yīng)用最為廣泛的一類材料，主要有發(fā)泡塑料、瓦楞紙板、蜂窩紙板、模塑制品、氣泡薄膜、纖維、碎屑狀材料、橡膠等。這類材料主要用于運(yùn)輸包裝，緩沖特性是其最為重要的性能，它一方面減弱產(chǎn)品對外界激勵的響應(yīng)，另一方面又耗散外界激勵的能量。表征材料的緩沖特性最經(jīng)典的方法是采用靜態(tài)或動態(tài)材料本構(gòu)關(guān)系。1952年Jansen提出基于變形能的緩沖系數(shù)概念來表征緩沖包裝材料的性能，后來又?jǐn)U展為動態(tài)緩沖系數(shù)概念。1961年Franklin和Hatae提出了最大加速度———靜應(yīng)力曲線。緩沖系數(shù)在緩沖包裝設(shè)計方面有著重要應(yīng)用，但要測取這些曲線，試驗工作量十分巨大。McDaniel和Oykide,Cost率先對緩沖包裝材料的性能進(jìn)行了理論分析，胡強(qiáng)等對泡沫塑料襯墊提出了29個參數(shù)的非線性粘彈性模型，高德考慮溫度、多次沖擊、層數(shù)、變形種類等因素，提出了瓦楞紙板緩沖的理論模型，并進(jìn)行了參數(shù)識別。梁艷春將結(jié)構(gòu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊自適應(yīng)控制技術(shù)以及進(jìn)化計算應(yīng)用于具有三次非線性和雙曲正切非線性的緩沖包裝材料模型識別問題，較好地獲得了其非線性特征。
緩沖材料過去一直以發(fā)泡塑料為主，隨著環(huán)境保護(hù)要求的發(fā)展，一批環(huán)保型緩沖材料已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品包裝，如植物纖維材料、蜂窩紙板、多層瓦楞紙板和紙漿模塑制品等。這類新型緩沖材料的研制開發(fā)和緩沖特征的表征正在成為包裝力學(xué)研究的重點領(lǐng)域。
2.4 包裝容器
包裝容器可分為各類紙盒、瓦楞紙箱、塑料容器、玻璃容器、金屬容器和木容器等。瓦楞紙箱由于其重量輕、成本低、易加工印刷、易折疊、無公害等突出優(yōu)點，目前已成為最為重要的運(yùn)輸包裝容器，廣泛應(yīng)用于食品、飲料、水果、家電、日用百貨、玻璃及陶瓷制品等的包裝。瓦楞紙箱的抗壓性能是評價瓦楞紙箱的重要指標(biāo)。試驗研究表明，瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度與紙箱周長、長寬比、高度、原紙環(huán)壓強(qiáng)度、瓦楞楞型、瓦楞紙板種類、堆碼時間、溫濕度等有著較為復(fù)雜的關(guān)系，同時與開孔位置、印刷面積、制造技術(shù)等也有關(guān)。根據(jù)試驗總結(jié)而得到的瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗公式很多,，如Kellicutt公式、Maltenfort公式、Wolf公式、Makee公式、APM公司計算方法等，其中Kellicutt公式最為人們重視?；谶@些公式的計算結(jié)果與實測還存在著較大差距。目前還沒有理論公式來預(yù)測紙箱的抗壓強(qiáng)度。玻璃瓶罐是又一類廣泛使用的包裝容器。對影響玻璃瓶罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（抗張強(qiáng)度、內(nèi)壓強(qiáng)度、熱沖擊強(qiáng)度、機(jī)械沖擊強(qiáng)度、倒轉(zhuǎn)強(qiáng)度、垂直載荷強(qiáng)度、水沖強(qiáng)度、跌落強(qiáng)度等）的因素前人已作過廣泛的試驗研究與理論分析。我們知道，瓶重、大、易破碎是玻璃瓶罐的一致命弱點。降低壁厚、減輕瓶重、提高強(qiáng)度是當(dāng)前玻璃容器生產(chǎn)中引人注目的重要技術(shù)改革，是現(xiàn)代輕量瓶研制和生產(chǎn)的主要課題。為了提高玻璃瓶罐的強(qiáng)度和防止玻璃瓶罐由于表面劃傷而降低強(qiáng)度，一方面玻璃瓶罐要有正確的造型設(shè)計，另一方面要對瓶罐表面進(jìn)行增強(qiáng)處理。雖然目前有許多種玻璃瓶罐表面強(qiáng)化方法，但對這類強(qiáng)化的細(xì)微觀力學(xué)機(jī)理研究幾乎還是空白。
塑料瓶因具有許多優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于液體食品和藥品包裝上，大有取代普通玻璃瓶的趨勢。目前包裝上應(yīng)用的塑料瓶品種PE,PP,PVC,PET,PS和PC等。通過改進(jìn)材料和制瓶成型工藝提高其阻隔性，通過提高拉伸倍率在提高瓶體強(qiáng)度和氣密性的同時降低瓶體重量，是塑料瓶發(fā)展的方向.
有限元仿真技術(shù)應(yīng)用于制瓶成型工藝過程，對于提高塑料瓶的設(shè)計和制造水平、改進(jìn)工藝參數(shù)和過程有著十分重要的作用。
2.5 緩沖包裝設(shè)計方法
緩沖包裝設(shè)計指根據(jù)產(chǎn)品脆值、運(yùn)輸環(huán)境條件和緩沖材料的特性等，運(yùn)用緩沖包裝理論設(shè)計防震緩沖結(jié)構(gòu).80年代提出的緩沖包裝設(shè)計的五步法和六步法至今仍廣為應(yīng)用，這一方法屬定值設(shè)計范疇。實際上，流通環(huán)境條件、產(chǎn)品脆值、緩沖材料性能、緩沖結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)等都具有隨機(jī)特征，用概率描述緩沖包裝保護(hù)產(chǎn)品的能力更科學(xué)也更合理。為此，1977年王志偉在引入緩沖包裝失效概率、可靠指標(biāo)、狀態(tài)函數(shù)等概念后，提出了基于概率理論的緩沖包裝概率設(shè)計方法，并提出了最適度緩沖包裝的概念，為進(jìn)行最經(jīng)濟(jì)、最適度緩沖包裝設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)］。吳為漢等探討了物流過程中的包裝可靠性問題。現(xiàn)代計算技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于緩沖包裝設(shè)計有著廣闊的前景。利用計算機(jī)，我們可以對緩沖包裝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析和仿真實驗，使緩沖包裝設(shè)計、分析、優(yōu)化一體化。目前，國內(nèi)外在這方面的工作不多，大量的文獻(xiàn)還僅停留在包裝容器的計算機(jī)輔助設(shè)計。
綜上所述，包裝力學(xué)作為包裝工程學(xué)科的一個重要分支學(xué)科，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，其研究領(lǐng)域不斷拓廣，研究內(nèi)容不斷深入，現(xiàn)已初步形成了自己獨特的體系，它主要研究以下幾個方面的內(nèi)容。
（1） 包裝件的流通環(huán)境條件。對包裝件在裝卸搬運(yùn)、運(yùn)輸、貯存等流通基本環(huán)節(jié)中可能遇到的環(huán)境條件（包括運(yùn)輸條件、氣候條件、生物化學(xué)條件等）作出調(diào)研、測試、評價、描述與標(biāo)準(zhǔn)化；
（2） 包裝動力學(xué)的理論基礎(chǔ)。對各類包裝系統(tǒng)建立動力學(xué)模型，發(fā)展各種數(shù)值求解方法和相關(guān)理論；
（3） 脆值及其評價方法。理論和試驗研究各類包裝產(chǎn)品在不同環(huán)境激勵下的脆值確定方法和邊界破損理論；
（4） 包裝材料的力學(xué)特性。理論和試驗研究各類包裝材料的靜動力特性、本構(gòu)關(guān)系，發(fā)展緩沖材料緩沖特性的表征方法和實驗技術(shù)；
（5） 各類運(yùn)輸包裝容器。研究運(yùn)輸包裝容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其制造工藝中的相關(guān)力學(xué)問題；
（6） 緩沖包裝設(shè)計。研究緩沖包裝設(shè)計方法，發(fā)展產(chǎn)品緩沖包裝設(shè)計、分析、優(yōu)化一體化技術(shù)。
3 結(jié)語
包裝工業(yè)正在由傳統(tǒng)向現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，新的包裝材料、技術(shù)、裝備的涌現(xiàn)，豐富了現(xiàn)代包裝力學(xué)的研究內(nèi)容，現(xiàn)代力學(xué)的發(fā)展也為解決包裝工程中的相關(guān)力學(xué)問題提供了條件?？傮w而言，現(xiàn)代包裝力學(xué)發(fā)展時間不長，研究領(lǐng)域有待進(jìn)一步擴(kuò)展，研究內(nèi)容也有待深化，現(xiàn)代計算技術(shù)、分析技術(shù)、試驗技術(shù)在包裝工程中的應(yīng)用還處于起步階段。我國包裝工業(yè)的現(xiàn)代化需要力學(xué)學(xué)科的參與，同時也為力學(xué)學(xué)科自身的發(fā)展提供了更為廣闊的天地。希望更多的力學(xué)工作者介入有關(guān)領(lǐng)域的研究，為我國包裝工業(yè)的長足發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
