現(xiàn)代包裝力學(xué)的研究
日期：2019-01-03 / 人氣：1382
［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(wèn)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(jì)方法等方面，闡述了有關(guān)的力學(xué)問(wèn)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(dòng)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(lèi)的進(jìn)化、社會(huì)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(shí)期，人類(lèi)已學(xué)會(huì)用天然包裝材料，如植物的莖葉、葛藤、荊條、樹(shù)皮、獸皮等編織籃筐盛裝、儲(chǔ)存和運(yùn)輸食物。據(jù)考古發(fā)掘和史料記載，人類(lèi)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(guó)新石器時(shí)代仰韶文化遺址上可看到，人類(lèi)在六千多年前就會(huì)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(lèi)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(guò)長(zhǎng)期的勞動(dòng)實(shí)踐，人類(lèi)逐漸認(rèn)識(shí)到引起運(yùn)輸容器損壞的原因是環(huán)境的振動(dòng)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(lèi)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(gè)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(jì)產(chǎn)品包裝時(shí)不僅考慮保護(hù)內(nèi)裝物的功能，還應(yīng)增加促進(jìn)銷(xiāo)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的服務(wù)產(chǎn)業(yè)，目前已形成一個(gè)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(mén)類(lèi)較齊全的現(xiàn)代工業(yè)體系。“九五”期間，我國(guó)包裝工業(yè)平均年增長(zhǎng)12%，2000年包裝工業(yè)產(chǎn)值達(dá)2200億元。“十五”期間，我國(guó)包裝工業(yè)仍將以8%的速度遞增，預(yù)計(jì)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(guó)貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室Mindlin建立了包裝動(dòng)力學(xué)的經(jīng)典理論，論述了包裝產(chǎn)品在跌落沖擊過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，主要討論單自由度包裝產(chǎn)品的動(dòng)力響應(yīng)，也涉及無(wú)限自由度動(dòng)力問(wèn)題。由于按單自由處理包裝系統(tǒng)具有簡(jiǎn)便性和工程實(shí)用性，單自由度緩沖包裝理論在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。但是實(shí)際的產(chǎn)品包裝種類(lèi)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(jì)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(dòng)特性，平板玻璃、瓦楞紙板、蜂窩紙板、發(fā)泡塑料等動(dòng)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(wèn)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(dòng)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(wèn)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(lì)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(dòng)力學(xué)問(wèn)題的線(xiàn)性化處理，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，便于闡明基本規(guī)律。但實(shí)際的緩沖包裝系統(tǒng)是非線(xiàn)性的，研究工作向非線(xiàn)性拓寬才具有實(shí)際的價(jià)值。王志偉等系統(tǒng)研究了典型非線(xiàn)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(duì)沖擊響應(yīng)的影響］。非線(xiàn)性和隨機(jī)性是緩沖包裝系統(tǒng)的兩個(gè)重要特征，但隨機(jī)環(huán)境作用下非線(xiàn)性緩沖包裝的分析設(shè)計(jì)工作至今還未完全展開(kāi)。
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(shí)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(yàn)估算和直接測(cè)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(lái)間接描述產(chǎn)品的脆值，作出破損邊界曲線(xiàn)（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(shí)，即加速度脈沖坐標(biāo)點(diǎn)位于破損邊界曲線(xiàn)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(kāi)了脆值沖擊試驗(yàn)的大門(mén)，奠定了現(xiàn)代緩沖包裝設(shè)計(jì)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(shí)，Lansmint公司和MTS公司相繼開(kāi)發(fā)出適合確定產(chǎn)品破損邊界的沖擊試驗(yàn)機(jī)。1977年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中采用了Neoton的破損邊界理論。在測(cè)定產(chǎn)品破損邊界曲線(xiàn)時(shí)，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(shí)際情況，Goff和Pierce也曾建議采用半正弦加速度脈沖來(lái)測(cè)定產(chǎn)品破損邊界曲
線(xiàn)。
破損邊界曲線(xiàn)可由產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)測(cè)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(lì)下的破損邊界曲線(xiàn)。
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(duì)線(xiàn)性緩沖材料情形的。但實(shí)際用于包裝的緩沖材料均具有非線(xiàn)性特征，且大都是強(qiáng)非線(xiàn)特征。為此，王志偉、王振林等開(kāi)展了非線(xiàn)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(xiàn)性緩沖包裝的產(chǎn)品破損邊界曲線(xiàn)。王志偉等采用統(tǒng)一的方法系統(tǒng)研究了線(xiàn)性和非線(xiàn)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(lì)下的沖擊譜和破損邊界曲線(xiàn)，討論了它們的重要特征，并開(kāi)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(xiàn)對(duì)于緩沖包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。這一概念是在不同加速度脈沖激勵(lì)下評(píng)價(jià)產(chǎn)品脆值時(shí)發(fā)展起來(lái)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(cè)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(píng)價(jià)非線(xiàn)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(wú)量綱跌落沖擊速度作為兩個(gè)基本的評(píng)價(jià)量，提出了跌落破損邊界曲線(xiàn)的概念。
振動(dòng)和隨機(jī)激勵(lì)是包裝產(chǎn)品在運(yùn)輸中經(jīng)常遇到的，產(chǎn)品承受振動(dòng)、隨機(jī)激勵(lì)的能力與承受沖擊激勵(lì)的能力是不同的。1970年Rountree和Safford研究了隨機(jī)振動(dòng)下導(dǎo)彈儀器的脆值問(wèn)題，宋寶峰于1992年給出了隨機(jī)激勵(lì)下產(chǎn)品脆值的定義。關(guān)于產(chǎn)品承受振動(dòng)和隨機(jī)激勵(lì)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(chēng)，它的種類(lèi)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(lèi)、性能、應(yīng)用范圍及加工工藝過(guò)程。在包裝材料的研制、開(kāi)發(fā)和加工工藝過(guò)程中，包含著許多復(fù)雜而又深刻的力學(xué)問(wèn)題。例如，雙向拉伸塑料薄膜加工過(guò)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(duì)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(lèi)包裝材料加工工藝中的力學(xué)問(wèn)題可參見(jiàn)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(lèi)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(lèi)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(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)，另一方面又耗散外界激勵(lì)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(dòng)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(lái)表征緩沖包裝材料的性能，后來(lái)又?jǐn)U展為動(dòng)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(xiàn)。緩沖系數(shù)在緩沖包裝設(shè)計(jì)方面有著重要應(yīng)用，但要測(cè)取這些曲線(xiàn)，試驗(yàn)工作量十分巨大。McDaniel和Oykide,Cost率先對(duì)緩沖包裝材料的性能進(jìn)行了理論分析，胡強(qiáng)等對(duì)泡沫塑料襯墊提出了29個(gè)參數(shù)的非線(xiàn)性粘彈性模型，高德考慮溫度、多次沖擊、層數(shù)、變形種類(lèi)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(shí)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(jì)算應(yīng)用于具有三次非線(xiàn)性和雙曲正切非線(xiàn)性的緩沖包裝材料模型識(shí)別問(wèn)題，較好地獲得了其非線(xiàn)性特征。
緩沖材料過(guò)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(lèi)新型緩沖材料的研制開(kāi)發(fā)和緩沖特征的表征正在成為包裝力學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。
2.4 包裝容器
包裝容器可分為各類(lèi)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(wú)公害等突出優(yōu)點(diǎn)，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(píng)價(jià)瓦楞紙箱的重要指標(biāo)。試驗(yàn)研究表明，瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度與紙箱周長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、高度、原紙環(huán)壓強(qiáng)度、瓦楞楞型、瓦楞紙板種類(lèi)、堆碼時(shí)間、溫濕度等有著較為復(fù)雜的關(guān)系，同時(shí)與開(kāi)孔位置、印刷面積、制造技術(shù)等也有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)而得到的瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式很多,，如Kellicutt公式、Maltenfort公式、Wolf公式、Makee公式、APM公司計(jì)算方法等，其中Kellicutt公式最為人們重視?；谶@些公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)還存在著較大差距。目前還沒(méi)有理論公式來(lái)預(yù)測(cè)紙箱的抗壓強(qiáng)度。玻璃瓶罐是又一類(lèi)廣泛使用的包裝容器。對(duì)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(guò)廣泛的試驗(yàn)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(diǎn)。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(jì)，另一方面要對(duì)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(duì)這類(lèi)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(shì)。目前包裝上應(yīng)用的塑料瓶品種PE,PP,PVC,PET,PS和PC等。通過(guò)改進(jìn)材料和制瓶成型工藝提高其阻隔性，通過(guò)提高拉伸倍率在提高瓶體強(qiáng)度和氣密性的同時(shí)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(guò)程，對(duì)于提高塑料瓶的設(shè)計(jì)和制造水平、改進(jìn)工藝參數(shù)和過(guò)程有著十分重要的作用。
2.5 緩沖包裝設(shè)計(jì)方法
緩沖包裝設(shè)計(jì)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(jì)防震緩沖結(jié)構(gòu).80年代提出的緩沖包裝設(shè)計(jì)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(jì)范疇。實(shí)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(jì)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(jì)提供了理論基礎(chǔ)］。吳為漢等探討了物流過(guò)程中的包裝可靠性問(wèn)題?，F(xiàn)代計(jì)算技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于緩沖包裝設(shè)計(jì)有著廣闊的前景。利用計(jì)算機(jī)，我們可以對(duì)緩沖包裝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析和仿真實(shí)驗(yàn)，使緩沖包裝設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化一體化。目前，國(guó)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
綜上所述，包裝力學(xué)作為包裝工程學(xué)科的一個(gè)重要分支學(xué)科，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，其研究領(lǐng)域不斷拓廣，研究?jī)?nèi)容不斷深入，現(xiàn)已初步形成了自己獨(dú)特的體系，它主要研究以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。
（1） 包裝件的流通環(huán)境條件。對(duì)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(cè)試、評(píng)價(jià)、描述與標(biāo)準(zhǔn)化；
（2） 包裝動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。對(duì)各類(lèi)包裝系統(tǒng)建立動(dòng)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(píng)價(jià)方法。理論和試驗(yàn)研究各類(lèi)包裝產(chǎn)品在不同環(huán)境激勵(lì)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(yàn)研究各類(lèi)包裝材料的靜動(dòng)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(shí)驗(yàn)技術(shù)；
（5） 各類(lèi)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(wèn)題；
（6） 緩沖包裝設(shè)計(jì)。研究緩沖包裝設(shè)計(jì)方法，發(fā)展產(chǎn)品緩沖包裝設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化一體化技術(shù)。
3 結(jié)語(yǔ)
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?jī)?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(wèn)題提供了條件?？傮w而言，現(xiàn)代包裝力學(xué)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，研究領(lǐng)域有待進(jìn)一步擴(kuò)展，研究?jī)?nèi)容也有待深化，現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)、分析技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)在包裝工程中的應(yīng)用還處于起步階段。我國(guó)包裝工業(yè)的現(xiàn)代化需要力學(xué)學(xué)科的參與，同時(shí)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(guó)包裝工業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
