為保護(hù)商品在流通過(guò)程中，不因受到?jīng)_擊和振動(dòng)而破損，所施行的包裝稱為緩沖防振包裝，亦稱緩沖包裝。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)品跨省、跨國(guó)運(yùn)輸?shù)脑龆?，產(chǎn)品的緩沖包裝愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注。合理設(shè)計(jì)包裝結(jié)構(gòu)，使商品在運(yùn)翰、裝卸及貯藏過(guò)程中的損失減小到最低，這便是緩沖包裝的重要意義。
1 緩沖包裝設(shè)計(jì)理論的發(fā)展概況
在第二次世界大戰(zhàn)期間，以各種軍需物資，尤其是高精密的各種電子設(shè)備的運(yùn)輸為誘因，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的MindlinLU和他所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組把機(jī)械領(lǐng)域的振動(dòng)分析理論應(yīng)用到歷來(lái)靠‘試探法’或憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的包裝領(lǐng)域中來(lái)，形成了獨(dú)特的‘緩沖包裝理論’。1968年，Newton「2」提出了包裝產(chǎn)品破損的邊界條件理論，建立了脆性評(píng)定定理及其測(cè)試方法，并被載入美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)。Mindlin和Newton開(kāi)創(chuàng)性的工作奠定了現(xiàn)代緩沖包裝分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
20世紀(jì)80年代，基于脆值的邊界條件理論，美國(guó)MTS系統(tǒng)有限公司與密執(zhí)安州立大學(xué)包裝學(xué)院共同研制出緩沖包裝的5步設(shè)計(jì)法，稍后又發(fā)展了更為完善的緩沖包裝設(shè)計(jì)的六步法(1)確定流通環(huán)境條件；(2)產(chǎn)品脆值估計(jì)；(3)產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)；(4)襯墊材料的計(jì)算；(5)設(shè)計(jì)包裝系統(tǒng)；(6)試驗(yàn)包裝系統(tǒng)原形，并給出了每一步驟應(yīng)貫徹的ASTM標(biāo)準(zhǔn)「3」，從而使
緩沖包裝設(shè)計(jì)理論取得了迅速的進(jìn)展。
近十幾年來(lái)，各國(guó)學(xué)者包括我國(guó)包裝科技工作者的廣泛重視和積極投入，大大促進(jìn)了緩沖包裝設(shè)計(jì)理論的交流與發(fā)展，在諸如緩沖包裝的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、各類線性和非線性緩沖包裝系統(tǒng)的沖擊和振動(dòng)響應(yīng)分析、緩沖包裝系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)模型、緩沖包裝概率設(shè)計(jì)方法等領(lǐng)域，取得了一系列重要成果。
總之，從Mindlin發(fā)表論文以來(lái)的40多年中，緩沖包裝設(shè)計(jì)理論的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，緩沖材料的力學(xué)特征、產(chǎn)品脆值評(píng)定、動(dòng)力學(xué)模型和設(shè)計(jì)方法等方面的研究日趨實(shí)用與精確，緩沖包裝的設(shè)計(jì)實(shí)踐也日益合理。主要成果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面L4]：
1)建立了產(chǎn)品緩沖與隔振的理論；
2)測(cè)定了大量產(chǎn)品不發(fā)生物理?yè)p傷或功能失效所能承受的最大加速度值，即產(chǎn)品脆值；
3)各主要工業(yè)國(guó)家都先后開(kāi)展了流通環(huán)境的調(diào)查試驗(yàn)，并取得了很大成果，為產(chǎn)品的包裝運(yùn)輸試驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)； 、
4)研制了很多先進(jìn)的包裝測(cè)試設(shè)備，并把計(jì)算機(jī)應(yīng)用于包裝測(cè)試數(shù)據(jù)處理和緩沖防振包裝設(shè)計(jì)中；
5)很多國(guó)家(包括我國(guó))制定了各種有關(guān)緩沖防振的包裝標(biāo)準(zhǔn)。
2 緩沖包裝設(shè)計(jì)理論存在的問(wèn)題
雖然緩沖包裝技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但是，緩沖包裝設(shè)計(jì)理論與方法目前還存在大量的問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和探索，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1）Newton所提出的破損邊界表征物品易損度的方法是建立在把包裝件看成單自由度線性包裝系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)之上，但實(shí)際的產(chǎn)品，尤其是精密的電子儀器，具有多個(gè)脆弱元件，且不同的沖擊頻率、波形對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生不同的沖擊放大率，產(chǎn)品的不同響應(yīng)又對(duì)產(chǎn)品的脆弱元件形成不同的激勵(lì)及沖擊放大率。因此，作為緩沖包裝設(shè)計(jì)的重要依據(jù)的脆值評(píng)價(jià)方法，其本身還有待發(fā)展，但至今尚未有更具權(quán)威性、更合理的試驗(yàn)理論和方法問(wèn)世[4」。
2)在包裝工程中，按單自由度處理問(wèn)題，除了具有它的實(shí)用性和簡(jiǎn)單性外。在研究包裝動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律上也是十分重要的。但理論上講，任何一種產(chǎn)品都可以看作具有無(wú)限個(gè)自由度，即使僅考慮有限的幾個(gè)脆弱元件，很多物品包裝也必須按2個(gè)或多個(gè)自由度處理，才能提供合理的包裝設(shè)計(jì)?；厩闆r有2種：一種是包裝內(nèi)容物本身就是個(gè)多自由度系統(tǒng)，如某些儀器設(shè)備等，它們的質(zhì)量、彈性元件和阻尼元件的大小和分布與緩沖包裝系統(tǒng)相當(dāng)，如果強(qiáng)行簡(jiǎn)化成單自由度系統(tǒng)，就可引起較大的誤差；另一種是大包裝中又有分包裝，如采用集裝箱運(yùn)輸?shù)取５壳暗膰?guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中尚未列入多自由度包裝問(wèn)題[4)。
3)在包裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于太注重于緩沖而忽視了防振包裝。前述的緩沖包裝設(shè)計(jì)六步法的第四步‘襯墊材料的計(jì)算’中便提出應(yīng)考慮沖擊和振動(dòng)相協(xié)調(diào)的問(wèn)題，然而只有緩沖設(shè)計(jì)部分才有標(biāo)準(zhǔn)可參照，至于防振包裝部分則沒(méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)可以使用。許多實(shí)際產(chǎn)品破損案例的調(diào)查與分析表明，隨著商品運(yùn)輸設(shè)備和裝卸技術(shù)的發(fā)展，沖擊往往不是產(chǎn)品破損的主要原因，破損往往是由振動(dòng)引起的。但目前防振包裝技術(shù)研究不足，或者說(shuō)緩沖和防振未能很好地進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。不足之處主要在于「5」：第一，在緩沖設(shè)計(jì)后，只校核包裝系統(tǒng)會(huì)不會(huì)發(fā)生共振，或只是利用隔振原理進(jìn)行被動(dòng)隔振設(shè)計(jì)；第二，利用沖擊脆值作為一次超越損壞來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但實(shí)際上很多元件是在重復(fù)載荷條件下發(fā)生損壞的。鑒于上述，防震包裝設(shè)計(jì)尚需作進(jìn)一步深入的研究。
4)前述的緩沖包裝設(shè)計(jì)的五步法或六步法均屬“定值設(shè)計(jì)法’的范疇。當(dāng)緩沖包裝滿足設(shè)計(jì)條件時(shí)，定值設(shè)計(jì)法認(rèn)為包裝產(chǎn)品是絕對(duì)安全的，否則認(rèn)為是絕對(duì)不安全的。實(shí)際上，流通環(huán)境條件、緩沖材料性能、緩沖襯墊幾何參數(shù)、產(chǎn)品脆值等設(shè)計(jì)參數(shù)都具有隨機(jī)變化的特征，含有大量的主觀和客觀不確定性，難以確切表征產(chǎn)品緩沖包裝的適合程度。因而緩沖包裝產(chǎn)品的防護(hù)能力應(yīng)當(dāng)用概率來(lái)描述「6」，筆者認(rèn)為建立緩沖包裝的概率設(shè)計(jì)方法是十分適當(dāng)和必要的。
3 緩沖包裝設(shè)計(jì)理論的發(fā)展方向
3．1 計(jì)算機(jī)輔助緩沖包裝設(shè)計(jì)和分析
目前在產(chǎn)品的緩沖包裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，緩沖材料的選擇和尺寸計(jì)算不僅須查找很多圖、表，而且需要大量時(shí)間來(lái)計(jì)算、分析、比較，最終選出合理的緩沖包裝方案。這種傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方式因其過(guò)程繁復(fù)、方案選擇較難及較大程度地依賴設(shè)計(jì)人員的自身經(jīng)驗(yàn)等不足之處，在一定程度制約了緩沖包裝設(shè)計(jì)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)模擬及信息技術(shù)迅速滲透到包裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域，使得計(jì)算機(jī)輔助緩沖包裝設(shè)計(jì)和分析成為可能。將計(jì)算機(jī)引入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可使人們從以往繁雜的手工設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，顯著縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，而且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。因此各主要工業(yè)國(guó)家都投入大量人力、物力開(kāi)發(fā)各種智能包裝系統(tǒng)「7」。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在緩沖包裝領(lǐng)域中，必將有更為廣闊的應(yīng)用前景。
3．2 基于系統(tǒng)分析的緩沖包裝設(shè)計(jì)
從系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，緩沖包裝是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)按系統(tǒng)分析一系統(tǒng)設(shè)計(jì)—系統(tǒng)實(shí)施一系統(tǒng)運(yùn)行與評(píng)價(jià)等階段順序去開(kāi)發(fā)緩沖包裝系統(tǒng)。但是，在以往的緩沖包裝系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于開(kāi)發(fā)人員關(guān)注更多的是包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本身，忽略了其它幾個(gè)階段，特別是系統(tǒng)分析階段的重要性，以致因不合理的包裝設(shè)計(jì)所造成的資源浪費(fèi)是很大的「8」。為了最大限度地減少緩沖包裝系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的資源浪費(fèi)，并力求開(kāi)發(fā)出一個(gè)最優(yōu)的包裝系統(tǒng)，必須按系統(tǒng)工程的規(guī)律去開(kāi)發(fā)緩沖包裝系統(tǒng)，使之具有最佳的保護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)適應(yīng)性和生態(tài)特性，這既是緩沖包裝系統(tǒng)的總體目標(biāo)，也是緩沖包裝設(shè)計(jì)理論的發(fā)展方向。
3．3 引入可靠性理論研究緩沖包裝的設(shè)計(jì)問(wèn)題
如前所述，緩沖包裝的設(shè)計(jì)受到流通環(huán)境條件、緩沖材料性能、緩沖襯墊幾何參數(shù)、產(chǎn)品脆值等許多具有隨機(jī)變化特性的因素的影響，難以確切表征產(chǎn)品緩沖包裝的適合程度。由于可靠性理論與方法能夠更客觀準(zhǔn)確地反映外界激勵(lì)和結(jié)構(gòu)性能的變化特性對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響，因此引入可靠性概念研究受到大量不確定性因素影響的緩沖包裝設(shè)計(jì)問(wèn)題是十分適當(dāng)和必要的。即考慮用包裝產(chǎn)品的失效概率或可靠度指標(biāo)來(lái)表征緩沖包裝保護(hù)產(chǎn)品的能力和緩沖包裝的合適程度，應(yīng)用概率方法來(lái)設(shè)計(jì)緩沖包裝。可靠性理論與方法在緩沖包裝設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用，必將使緩沖包裝產(chǎn)品具有更好的經(jīng)濟(jì)性和適用性。
(文/周明艷 張峻嶺
中國(guó)包裝報(bào)
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