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1瓦楞紙板緩沖襯墊

瓦楞紙板緩沖襯墊是將瓦楞紙板經(jīng)過模切、壓痕工序后，再經(jīng)折疊、插裝、組合、黏結(jié)等方法，使其從二維變成三維結(jié)構(gòu)的緩沖包裝襯墊。結(jié)構(gòu)分為組合式和一體折疊式2種。折疊型瓦楞紙板制成的襯墊結(jié)構(gòu)主要包括:護(hù)楞襯墊、護(hù)角襯墊、護(hù)槽襯墊、護(hù)板襯墊、雙角襯墊、腳槽襯墊和雙槽襯墊等。綜合考慮電腦機(jī)身特性和緩沖要求、瓦楞紙板特性及包裝成本，采用護(hù)楞和護(hù)角襯墊結(jié)合的局部緩沖包裝形式，即2個(gè)襯墊體沿電腦機(jī)身左右兩邊和4個(gè)角將其卡緊，起到緩沖保護(hù)作用。

2設(shè)計(jì)過程

2．1設(shè)計(jì)步驟

瓦楞紙板緩沖包裝與泡沫塑料緩沖包裝不同，它沒有像泡沫塑料設(shè)計(jì)一樣有理論依據(jù)(如六步法)可循。其設(shè)計(jì)步驟如下所述。1)分析產(chǎn)品特性，根據(jù)其結(jié)構(gòu)、性能和緩沖要求，結(jié)合Pro/E軟件設(shè)計(jì)出幾種可行的緩沖結(jié)構(gòu)和實(shí)體建模。2)方案比較，優(yōu)化選擇。選定最優(yōu)設(shè)計(jì)，調(diào)整和定位尺寸，進(jìn)一步優(yōu)化。3)配材的選擇。根據(jù)產(chǎn)品的性能指標(biāo)和緩沖要求，選擇瓦楞紙板的齒形、楞型、里紙、面紙及芯紙，依據(jù)配材的邊壓強(qiáng)度、耐破度或撕裂強(qiáng)度等性能參數(shù)進(jìn)行選擇。4)安全性測試。利用Ansys軟件對選定的緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)壓縮、模態(tài)、跌落等安全性測試，或者按照結(jié)構(gòu)圖紙打樣，在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)物測試。若安全性測試未通過，則調(diào)整結(jié)構(gòu)或配材等重新測試。若測試通過，即可定案。該步一般是依靠測試結(jié)果或經(jīng)驗(yàn)判斷。

2．2產(chǎn)品特性分析

該型號筆記本電腦的參數(shù):機(jī)身質(zhì)量m=2．2kg;產(chǎn)品長L=340mm，寬B=242．6mm，厚度H=33．6mm;內(nèi)裝物有筆記本電腦機(jī)身、說明書、保修卡、驅(qū)動(dòng)光盤、數(shù)據(jù)線、電源適配器等。筆記本電腦機(jī)身作為緩沖襯墊包裝的主體，其他部件作為附件，附件的總質(zhì)量為1．1kg。筆記本電腦機(jī)身主要部件有外殼、液晶屏、硬盤、主板等，易損件為硬盤和液晶屏，其質(zhì)量分布均勻，重心在其形心位置，故設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求在L，B和H等3個(gè)方向上都要有定位和緩沖。筆記本電腦屬于電子設(shè)備，根據(jù)該品牌筆記本電腦的型號和性能參數(shù)，查詢中國機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化研究所的產(chǎn)品脆值標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行類比，確定其脆值G=60g。根據(jù)筆記本電腦的質(zhì)量，查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定其在運(yùn)輸過程中的跌落高度h=80cm。

2．3緩沖襯墊承載面積及厚度

由于緩沖襯墊結(jié)構(gòu)為異形緩沖結(jié)構(gòu)，李志強(qiáng)指出當(dāng)瓦楞紙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜時(shí)，其緩沖性能接近于EPS。緩沖系數(shù)反應(yīng)了緩沖襯墊的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和尺寸，廣泛用于局部緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由此，瓦楞紙板緩沖襯墊應(yīng)以復(fù)雜紙板結(jié)構(gòu)的緩沖系數(shù)－最大靜應(yīng)力曲線為依據(jù)，采用最小緩沖系數(shù)法進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。1)筆記本電腦機(jī)身的重量:W=21．56N。2)緩沖襯墊最小承載面積和厚度。由EPS的緩沖系數(shù)－最大靜應(yīng)力曲線(密度為0．029g/cm3)可知，最小緩沖系數(shù)C=2．4，對應(yīng)的應(yīng)力σm=0．7MPa，則筆記本電腦機(jī)身襯墊最小承載面積A=Wh/σm×104=24．64cm2，襯墊厚度T=Ch/G=3．20cm。由于瓦楞紙板緩沖襯墊的承載面積、厚度和襯墊具體的結(jié)構(gòu)形式、所選配材的性能有關(guān)，由此，在配材選定后可根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式和產(chǎn)品特性調(diào)整確定最后的承載面積和厚度。

3緩沖襯墊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，利用Pro/E軟件設(shè)計(jì)出以下3套結(jié)構(gòu)方案，通過分析比較，確定一套最優(yōu)方案進(jìn)行后續(xù)的安全性測試分析。

3．1方案1(組合式)

緩沖襯墊由a，b部件組裝而成。部件a起支撐作用，部件b起緩沖作用，由此其瓦楞方向與部件a的瓦楞方向相反，即部件b主要靠瓦楞紙板的橫向邊壓支撐。部件a的結(jié)構(gòu)是中間用三處折疊復(fù)U型結(jié)構(gòu)和側(cè)面U型結(jié)構(gòu)使其在L，B，H等3個(gè)方向定位和B，L方向緩沖，中間三處折疊U型結(jié)構(gòu)起到H方向的緩沖作用，中間空出的結(jié)構(gòu)不折疊，加強(qiáng)H方向的定位。部件b是在H方向上由折疊成長方形和2個(gè)三角型的結(jié)構(gòu)組成，正方形結(jié)構(gòu)插入襯墊時(shí)，一個(gè)面起到B方向的定位加強(qiáng)作用，將此面設(shè)計(jì)成m型，方便筆記本裝入。三角形結(jié)構(gòu)位于產(chǎn)品中部，屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了部件a的穩(wěn)定性。通過左右2個(gè)襯墊的配合，將左右2個(gè)邊和4個(gè)角卡緊可實(shí)現(xiàn)前后上下4個(gè)方向的定位與緩沖。附件盒盛裝附件的同時(shí)和外箱配合，可以對電腦機(jī)身包裝件的6個(gè)方向定位，增加緩沖襯墊的緩沖面積和緩沖厚度，使瓦楞紙板結(jié)構(gòu)組合襯墊的緩沖保護(hù)性能更佳。

3．2方案2(組合式)

緩沖襯墊由部件a，b和c組裝而成。部件a的H方向由原有的U型改成近M型，可以對L，H方向定位和緩沖，還可以為L方向機(jī)身裝入留有余量。部件b和部件c起到加強(qiáng)H方向定位和緩沖作用。部件b可以固定M結(jié)構(gòu)，其固定部位是U型，給M型留有一定活動(dòng)空間，便于尺寸調(diào)節(jié)。部件c和部件a相互吻合，起到固定M結(jié)構(gòu)和B方向定位的作用。

3．3方案3(一體折疊式)

襯墊整體結(jié)構(gòu)，由1張瓦楞紙板折疊而成。襯墊由0947型瓦楞襯墊改裝而成，0947型瓦楞襯墊提供了L，H方向上的定位，H方向上的緩沖，改裝后增加了B方向的定位和L，B方向的緩沖。首先加長了L方向上2個(gè)回旋折疊結(jié)構(gòu)，使之在L方向具有緩沖作用。其次在B方向，襯墊兩邊增加2個(gè)回旋折疊結(jié)構(gòu)，達(dá)到B方向的定位及緩沖。0947型為對稱結(jié)構(gòu)，由于筆記本包裝箱內(nèi)需要裝有附件的內(nèi)附盒，可以達(dá)到一些緩沖效果，所以位于內(nèi)附箱面的尺寸可酌情減小。

3．4方案選擇

從結(jié)構(gòu)上分析，對于筆記本電腦來說，其質(zhì)量較輕，3種方案均采用局部緩沖就可以保證其安全。方案1因?yàn)橛蟹€(wěn)定的三角形支撐，結(jié)構(gòu)的緩沖性能最好，且結(jié)構(gòu)簡單美觀。從工藝上考慮盡量選擇組合式瓦楞紙板緩沖襯墊。方案1和方案2均為組合式緩沖包裝，方便進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工，但是需要進(jìn)行折疊組裝。方案3為一體折疊式，雖無需組裝，但在尺寸設(shè)計(jì)和三維建模時(shí)較麻煩，尺寸精度不高。從成本上分析，3個(gè)方案所需要的原料，經(jīng)過估算相差不多，而且每個(gè)方案都有優(yōu)化余地。綜上所述，從結(jié)構(gòu)、工藝、成本，尤其是緩沖性能上考慮，最終選擇方案1。

3．5瓦楞紙板的配材

常用的瓦楞紙板有A，C，B，E及BC型，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判定，采用抗壓強(qiáng)度高、彈性好的UV齒形B型瓦楞紙板。

3．6襯墊結(jié)構(gòu)的安全性分析

利用Ansys軟件進(jìn)行選定襯墊的安全性仿真分析。靜態(tài)壓縮仿真與模態(tài)(振動(dòng)特性)仿真分析使用WORKBENCH模塊，跌落分析使用Ansys/LS－DYNA模塊。b加襯墊(上)和不加襯墊(下)的等效應(yīng)力云圖對比可知，不加襯墊時(shí)電腦機(jī)身受到的最大應(yīng)力為6687Pa，最小應(yīng)力為2137Pa。加上襯墊后，襯墊受到的最大應(yīng)力為305680Pa，所受應(yīng)力多數(shù)分布在6369Pa以下，配材的耐破強(qiáng)度為1024000Pa，襯墊完全可以承受所受的應(yīng)力。電腦機(jī)身所受應(yīng)力多數(shù)分布在2152Pa以下，大部分應(yīng)力較小且都被緩沖襯墊所吸收，緩沖效果明顯。模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)，它們是承受動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，同時(shí)，也是瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析是一種線性分析，任何非線性均被忽略。對電腦以及襯墊進(jìn)行模態(tài)分析，材料屬性及網(wǎng)格劃分等操作同靜態(tài)分析一致。如圖5c，f對x，y，z等3個(gè)方向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行六階模態(tài)分析，可以得出其六階最大固有頻率，且沒有共振發(fā)生。d和e是模擬跌落過程的等效應(yīng)力云圖和加速度曲線圖，可以看出包裝件的加速度峰值約為28g，比產(chǎn)品的脆值60g小很多，滿足要求。通過以上測試分析，證明該襯墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，緩沖作用明顯。也可利用打樣機(jī)打樣得到包裝樣品，在振動(dòng)臺、沖擊試驗(yàn)機(jī)和跌落試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行安全性測試。

3．7附件包裝盒設(shè)計(jì)

根據(jù)附件的大小和襯墊尺寸，用B型瓦楞紙板做0212型包裝紙盒，制造尺寸為300mm×100mm×60mm，尺寸控制到剛好與外箱、緩沖結(jié)構(gòu)襯墊完美配合。

4結(jié)語

瓦楞紙板緩沖結(jié)構(gòu)襯墊通過仿真和實(shí)物相結(jié)合的安全性測試分析，能夠完全滿足筆記本電腦的緩沖要求，且相比泡沫塑料緩沖襯墊易加工成型且成本低廉，代表了未來綠色包裝的發(fā)展方向。通過該實(shí)例證明，只要瓦楞紙板的緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，且所選配材合適，完全能夠滿足筆記本電腦及類似電子設(shè)備的綠色緩沖包裝要求。隨著瓦楞紙板緩沖包裝理論的建立和完善，瓦楞紙板緩沖材料將會(huì)在未來的包裝市場發(fā)揮更大的作用。

作者：邢月卿陳滿儒孫德強(qiáng)單位：陜西科技大學(xué)