第六章 缓冲包装设计

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1、第六章第六章 缓冲包装设计缓冲包装设计 主讲教师：计宏伟教授主讲教师：计宏伟教授三、三、缓冲包装衬垫设计缓冲包装衬垫设计 一、缓冲包装设计的基本要求一、缓冲包装设计的基本要求 四、缓冲包装结构设计四、缓冲包装结构设计 二、缓冲包装设计的步骤二、缓冲包装设计的步骤 五、本章小结五、本章小结授课知识点授课知识点 在进行产品缓冲包装设计时，应考虑的因素很多，如被包装产在进行产品缓冲包装设计时，应考虑的因素很多，如被包装产品本身的特性、流通环境条件、包装材料的特性、外包装容器和封品本身的特性、流通环境条件、包装材料的特性、外包装容器和封缄材料的特性、包装技术与方法以及包装产品的性价比等。缄材料的特性、

2、包装技术与方法以及包装产品的性价比等。产品的主要特性包括：脆值、形状、尺寸、体积、重量与重心。产品的主要特性包括：脆值、形状、尺寸、体积、重量与重心。应考虑产品流通过程中运输区间、运输方式、装卸次数、等效应考虑产品流通过程中运输区间、运输方式、装卸次数、等效跌落高度、冲击方向、气候条件、贮存条件等对产品的影响。跌落高度、冲击方向、气候条件、贮存条件等对产品的影响。缓冲性能、回弹性、环保性、经济性缓冲性能、回弹性、环保性、经济性结构、形状、材质及强度结构、形状、材质及强度还须考虑防锈包装技术、防霉腐包装技术、真空和充气包装还须考虑防锈包装技术、防霉腐包装技术、真空和充气包装技术、收缩包装技术、拉

3、伸包装技术、集合包装技术、防虫技术、收缩包装技术、拉伸包装技术、集合包装技术、防虫包装技术、危险品包装技术等包装技术、危险品包装技术等。作用作用：防止内装物脱出、泄漏；防止内装物脱出、泄漏；防止产品受氧化、腐蚀防止产品受氧化、腐蚀等；等；防止内装物被污染、盗取；防止内装物被污染、盗取；提高包装容器强度；提高包装容器强度；便于贮存、运输和搬运。便于贮存、运输和搬运。减小传递到产品上的冲击、振动外力。减小传递到产品上的冲击、振动外力。分散作用在产品上的应力。分散作用在产品上的应力。保护产品的表面及凸起部分。保护产品的表面及凸起部分。防止产品相互接触。防止产品相互接触。防止产品在包装容器内移动。防止

4、产品在包装容器内移动。保护其它防护包装。保护其它防护包装。包装不足包装不足高破损率，过分包装高破损率，过分包装高包装成本。高包装成本。方便包装，方便使用，方便处理包装废弃物。方便包装，方便使用，方便处理包装废弃物。符合包装与生态相容性及循环经济的要求。符合包装与生态相容性及循环经济的要求。运输区间、运输方式、装卸次数、等效跌落高度、冲击方向、气候运输区间、运输方式、装卸次数、等效跌落高度、冲击方向、气候 条件、贮存条件等。主要确定运输过程中的冲击和振动。条件、贮存条件等。主要确定运输过程中的冲击和振动。产品脆值产品脆值;产品固有频率产品固有频率;产品的形状、尺寸、体积、重量、重心，产品的形状、

5、尺寸、体积、重量、重心，数量等。数量等。对产品提供冲击和振动防护对产品提供冲击和振动防护;综合考虑安全、实用、经济等各方面综合考虑安全、实用、经济等各方面 的因素。要了解缓冲材料的力学特性，以及加工工艺和价格等。的因素。要了解缓冲材料的力学特性，以及加工工艺和价格等。目前国内外采用的缓冲包装设计方法以目前国内外采用的缓冲包装设计方法以19851985年美国系统有限年美国系统有限公司与密执安州立大学包装学院共同研制出缓冲包装的五步设计法公司与密执安州立大学包装学院共同研制出缓冲包装的五步设计法为基础为基础 ，相继在美国和世界其他国家得到推广应用。，相继在美国和世界其他国家得到推广应用。除了缓冲衬

6、垫外，还考虑包装结构、包装材料价格和特殊装运要除了缓冲衬垫外，还考虑包装结构、包装材料价格和特殊装运要求等求等,并进行包装件样品的设计和制造。设计和制造出可以代表并进行包装件样品的设计和制造。设计和制造出可以代表最后包装件的样品，供试验用。最后包装件的样品，供试验用。设计时进行了简化，只考虑了主要影响因素，忽略了很多次要因设计时进行了简化，只考虑了主要影响因素，忽略了很多次要因素，譬如缓冲衬垫的形状的影响，侧垫的摩擦等等，因此，所设素，譬如缓冲衬垫的形状的影响，侧垫的摩擦等等，因此，所设计的缓冲包装在试验和实际中是否真正能获得预期的效果，必须计的缓冲包装在试验和实际中是否真正能获得预期的效果，

7、必须通过实测，才能确认。通过实测，才能确认。包括包括:跌落试验跌落试验;定频与变频正弦振动试验定频与变频正弦振动试验;随机振动试验随机振动试验.流通环境的确定流通环境的确定 确定产品特性确定产品特性产品的重新设计产品的重新设计选择缓冲材料选择缓冲材料包装设计包装设计包装件的试验包装件的试验 三种途径进行缓冲设计，有时需用三种途径进行缓冲设计，有时需用振动传递率曲线振动传递率曲线来作防振包来作防振包装的校核。无论采用哪种方法，对求得的面积和厚度都应进行装的校核。无论采用哪种方法，对求得的面积和厚度都应进行校核，一般当求得的面积太小，厚度太大时，衬垫在产品冲击校核，一般当求得的面积太小，厚度太大时

8、，衬垫在产品冲击力作用下，会产生失稳，因此要采用下列经验公式校核衬垫的力作用下，会产生失稳，因此要采用下列经验公式校核衬垫的稳定性：稳定性：缓冲包装设计的主要任务是求取缓冲包装设计的主要任务是求取缓冲衬垫的面积和厚度缓冲衬垫的面积和厚度。目前国内外普遍采用目前国内外普遍采用:1.1.缓冲系数与最大应力曲线缓冲系数与最大应力曲线 mCmsG2min(1.33)AT2.2.最大加速度与静应力曲线最大加速度与静应力曲线3.3.应力应变曲线应力应变曲线三种情况：设计缓冲材料的用量、优选缓冲包装材料、求出最大冲三种情况：设计缓冲材料的用量、优选缓冲包装材料、求出最大冲 击力和最大加速度击力和最大加速度

9、mmWGAmCHTG已知已知W、H、Gm及某及某选定缓冲包装材料的选定缓冲包装材料的 C m 曲线，计算曲线，计算缓冲材料的合理用量。缓冲材料的合理用量。求出缓冲面积：求出缓冲面积：求出缓冲材料的厚度：求出缓冲材料的厚度：从从C m 曲线上查出最低点的曲线上查出最低点的C与与 m。一重量为一重量为10kg10kg的产品的产品,脆值为脆值为80g,80g,要保证从要保证从60cm60cm的高处跌的高处跌落而不被损落而不被损,规定用密度为规定用密度为37kg/m37kg/m3 3的聚乙烯的聚乙烯(图图4-354-35)作衬垫作衬垫,试计算衬垫所需尺寸。试计算衬垫所需尺寸。解：整理已知条件：解：整理

10、已知条件：W=10,Gm=80,H=60W=10,Gm=80,H=60 查图查图4-35,4-35,这种聚乙烯材料在这种聚乙烯材料在 m=1.4105Pa 时有最小缓时有最小缓冲系数冲系数,c=3.6,c=3.6,故按式故按式(6-2),(6-2),承受跌落的负载面积：承受跌落的负载面积：即本例所求的衬垫尺寸即本例所求的衬垫尺寸AT=5602.7(cm3)(560104.1808.91025cmWGAmm)(7.280606.3cmGHCTm 一质量为一质量为9Kg的产品，脆值为的产品，脆值为50，装入底面积为，装入底面积为750cm2的箱内，设定的跌落高度为的箱内，设定的跌落高度为60cm，

11、如果采用密度为，如果采用密度为0.075g/cm3的石棉作衬垫，试检验该设计的合理性。的石棉作衬垫，试检验该设计的合理性。解解:整理已知条件，整理已知条件，W=9Kg,G=50,H=60cm 由图由图4-35缓冲系数曲线知，最小缓冲系数缓冲系数曲线知，最小缓冲系数C=5.7，对，对应的应力值为应的应力值为 m=0.17l05Pa，故有故有2m59 9.8 502594 cm0.17 10mWGA（）显然，此面积大于容器底面积，无法装入容器箱，说明本设计显然，此面积大于容器底面积，无法装入容器箱，说明本设计选料不当。若选用密度大一倍的聚氨酯泡沫，则它的最小缓冲选料不当。若选用密度大一倍的聚氨酯泡

12、沫，则它的最小缓冲系数为系数为C=3.3，对应的最大应力值为，对应的最大应力值为 m=0.7l05Pa，此时的此时的承载面积为承载面积为:259 9.8 50630 cm0.7 10mWGA（）衬垫厚度为衬垫厚度为:603.33.96(cm)50HTCG校核：校核：22min(1.33)1.33 3.9627.74AT（）所以，所以，缓冲垫的尺寸为缓冲垫的尺寸为A=630cm2；T=3.96cm。曲线所代表的材料（密度曲线所代表的材料（密度/Kg/m3）：）：(1)石棉纤维（石棉纤维（40）（2）石棉纤维（）石棉纤维（50）（3）石棉纤维（）石棉纤维（62.5）（4）石棉纤维（）石棉纤维（75

13、）（5）石棉纤维（）石棉纤维（100）（6）充气薄膜（）充气薄膜（29）（7）发泡橡胶（）发泡橡胶（120）（8）聚氨）聚氨酯（酯（152）（9）聚乙烯泡沫（）聚乙烯泡沫（37）（10）聚氯乙烯泡沫（）聚氯乙烯泡沫（31）（11）聚苯乙烯（）聚苯乙烯（12）（12）聚苯乙烯）聚苯乙烯（25）（13）刨花（）刨花（40）（14）纤维状泡沫）纤维状泡沫（15）醋酸纤维丝）醋酸纤维丝 某产品质量为某产品质量为15Kg,脆值脆值Gm=60,包装箱底面积为包装箱底面积为4040cm2,设计的跌落高度设计的跌落高度H=80cm,欲以图欲以图4-35所示的密度为所示的密度为0.031g/cm3的聚氯乙烯泡沫

14、作全面缓冲的聚氯乙烯泡沫作全面缓冲,试求该衬垫厚度。试求该衬垫厚度。mmWGAmCHTG求出最大允许应力求出最大允许应力由由C m 曲线查曲线查 m对应的对应的C计算缓冲材料厚度计算缓冲材料厚度 如果规定用缓冲材料是图如果规定用缓冲材料是图4-35中的曲线中的曲线10，则在横轴上取，则在横轴上取 m=0.55l05Pa的点，并向上作垂线与曲线的点，并向上作垂线与曲线10相交，该交点的纵相交，该交点的纵坐标坐标C=9就是所要求的缓冲系数，故衬垫的厚度为：就是所要求的缓冲系数，故衬垫的厚度为：809.012(cm)60HTCG515 9.8 60551250.55 10 Pa0.16mWGA（Pa

15、）解：作全面缓冲时，衬垫面积等于产品面积，即解：作全面缓冲时，衬垫面积等于产品面积，即A A=1600cm=1600cm2 2。衬垫最大应力为：衬垫最大应力为：在在C m曲线图中，根据所求得的曲线图中，根据所求得的C值作一水平直线，这时值作一水平直线，这时可能出现两种情况：可能出现两种情况：（a）水平线）水平线与曲线无交点，说明这种缓与曲线无交点，说明这种缓冲垫厚度冲垫厚度T 不合要求，可以更换或用多层缓冲垫以增加厚度；不合要求，可以更换或用多层缓冲垫以增加厚度；（b）水平线与）水平线与C m曲线有两个交点曲线有两个交点 1和和 2，m在在 1和和 2之之间的取值都可以，一般取间的取值都可以，

16、一般取 m=2，以减少缓冲面积节省材料。以减少缓冲面积节省材料。：由式厚度计算公式求出缓冲系数：由式厚度计算公式求出缓冲系数：GTCHmmWGA求出缓冲材料面积求出缓冲材料面积 产品重量产品重量W=250N，易损度易损度Gm=40，跌落高度，跌落高度H=70cm，现有缓冲材料的，现有缓冲材料的C m曲线如图曲线如图6-2所示，材所示，材料厚料厚T=4cm，要求衬垫面积，要求衬垫面积小于小于6000cm2，应如何进行缓，应如何进行缓冲包装设计？冲包装设计？图图6-2 6-2 缓冲材料缓冲材料 mC曲线曲线 解：解：（2）用二层缓冲垫以增加厚度，则此时缓冲系数为：）用二层缓冲垫以增加厚度，则此时缓

17、冲系数为：22 4 404.5770mTGCH 在图在图6-2中作中作C=4.57水平线，与曲线交于两点，取水平线，与曲线交于两点，取 50.12 10Pam（）28.270404HTGCm(1)(1)先考虑用一层缓冲垫，则先考虑用一层缓冲垫，则 根据所求得的根据所求得的C值作一水平直线，与值作一水平直线，与C m曲线曲线无交点，说明这种无交点，说明这种缓冲垫厚度缓冲垫厚度T T 不合要求，则用多层缓冲垫以增加厚度。不合要求，则用多层缓冲垫以增加厚度。求出缓冲面积：求出缓冲面积：2240 258333cm6000cm0.12mmG WA表明使用二层缓冲衬垫时，缓冲面积表明使用二层缓冲衬垫时，缓

18、冲面积超过允许值，不符合要求。超过允许值，不符合要求。33 4 406.970mTGCH （3）按三层缓冲材料设计缓冲垫，则此时缓冲系数为：）按三层缓冲材料设计缓冲垫，则此时缓冲系数为：在图在图6-2中作中作C=6.9水平线，与曲线交于两点，取水平线，与曲线交于两点，取 50.28 10Pam（）求出缓冲面积求出缓冲面积：2240 253571cm6000cm0.28mmG WA可见，这时的缓冲面积比允许值小，使用三层缓冲衬垫可满足可见，这时的缓冲面积比允许值小，使用三层缓冲衬垫可满足缓冲包装要求。缓冲包装要求。已知已知 W、Gm、H,要求在几种缓冲材料中选出一种，使缓冲效要求在几种缓冲材料中

19、选出一种，使缓冲效果最佳。果最佳。这里讨论缓冲效果，是以缓冲系数这里讨论缓冲效果，是以缓冲系数C为最小值作为指标的。对于为最小值作为指标的。对于这类问题，在缓冲包装设计之前，首先要知道缓冲包装材料的这类问题，在缓冲包装设计之前，首先要知道缓冲包装材料的C m曲线。同样，在设计时也会碰到两种情况：缓冲面积可曲线。同样，在设计时也会碰到两种情况：缓冲面积可以灵活选择和有特殊要求。以灵活选择和有特殊要求。具体的设计过程为：具体的设计过程为：选择所有曲线中的最小值选择所有曲线中的最小值C，查出对应的，查出对应的 m确定对应的材料确定对应的材料mmWGAmCHTG求出缓冲面积求出缓冲面积求出缓冲垫厚度求

20、出缓冲垫厚度 质量为质量为5kg5kg的一电子产的一电子产品，用图品，用图6-36-3所示的第所示的第2 2种缓种缓冲材料做衬垫，在运输过程冲材料做衬垫，在运输过程中，产品能承受的最大加速中，产品能承受的最大加速度为度为3030（g g），跌落高度为），跌落高度为50cm50cm，试设计缓冲包装材料，试设计缓冲包装材料的接触面积和承压厚度。的接触面积和承压厚度。图图6-3 6-3 缓冲系数与最大静应力曲线缓冲系数与最大静应力曲线 解：整理已知条件解：整理已知条件:W=5kg:W=5kg，G Gm m=30=30，H=50cmH=50cm，指定缓冲材，指定缓冲材料，查图料，查图6-36-3得：最

21、大应力得：最大应力 m m=7.0kPa=7.0kPa时，缓冲系数最小时，缓冲系数最小C=4.2C=4.2。则缓冲面积和衬垫厚度：。则缓冲面积和衬垫厚度：2235 9.8 300.21(m)2100(cm)7.0 10mmWGA504.27(cm)30mCHTG 在在C m图中，经过图中，经过 m值，作垂直线，查出最低交点值，作垂直线，查出最低交点C；mmWGAmCHTG求出最大允许应力求出最大允许应力根据确定的根据确定的C，求缓冲垫的厚度，求缓冲垫的厚度 设计过程为：设计过程为：产品质量产品质量15kg15kg，易损度，易损度3030（g g），产品面积为），产品面积为2000cm2000c

22、m2 2，跌落高度跌落高度85cm85cm，拟采用全面缓冲包装，在图，拟采用全面缓冲包装，在图6-36-3中的五种缓冲中的五种缓冲材料中选用一种，并求出所需厚度。材料中选用一种，并求出所需厚度。解：这属于缓冲面积已给定的情况解：这属于缓冲面积已给定的情况求出最大允许应力求出最大允许应力415 9.8 3022050(Pa)22.05(kPa)2000 10mmWGA 在在CC m m图中，经过图中，经过 m=22.05(kPa)m=22.05(kPa)值，作垂直线，查出最低值，作垂直线，查出最低交点交点C=5.4C=5.4；确定使用材料；确定使用材料4 4；根据确定的根据确定的C，求缓冲垫的厚

23、度，求缓冲垫的厚度 5.4 8515.3(cm)30mCHTGmmPA已知产品的重量已知产品的重量W，跌落高度，跌落高度H，易损度，易损度Gm，缓冲材料的，缓冲材料的C m曲线，缓冲面积曲线，缓冲面积A及缓冲材料厚度及缓冲材料厚度T，欲求最大冲击力，欲求最大冲击力Pm和最大加速度和最大加速度Gmax，并校核缓冲包装是否符合要求。，并校核缓冲包装是否符合要求。包装产品所受到的最大冲击力可以表示为：包装产品所受到的最大冲击力可以表示为：最大加速度为：最大加速度为：mmmmGWAmgPgmPgaG/maxmaxmmWGAmCHTGmATCHW是一条直线，是是一条直线，是C值和值和 m值必须满足的条件

24、，计算产品的最大加速度时，既要在值必须满足的条件，计算产品的最大加速度时，既要在C m曲线上取曲线上取C和和 m值，又要满足上面直线关系，因此只能取两者的交点。值，又要满足上面直线关系，因此只能取两者的交点。（6-56-5）被包装物质量为被包装物质量为10kg，易损度易损度G=30，跌落高度，跌落高度H=80cm，采用全面缓冲，且，采用全面缓冲，且缓冲面积缓冲面积 A=2000cm2，缓冲，缓冲材料的材料的C m 曲线如图曲线如图6-4所所示，材料厚度示，材料厚度T=20cm。试求。试求最大作用力最大作用力Pm和最大加速度和最大加速度 Gmax，并校核缓冲包装设计。，并校核缓冲包装设计。图图6

25、-4 6-4 缓冲材料缓冲材料CC mm曲线曲线 在图在图6-46-4上作曲线上作曲线 ，与原曲线交于，与原曲线交于B B点，查出点，查出B B点的坐标值：点的坐标值：解：由式（解：由式（6-56-5）得）得 mmmHWATC508.9108.0102.02.0550mC55.5,0.11 10(Pa)mC则得则得 50.11 100.22200(N)mmPAmax22002210 9.8mmPGGW所以该缓冲包装符合设计要求。所以该缓冲包装符合设计要求。B B点离曲线最小值点较点离曲线最小值点较近，表明缓冲效果好。近，表明缓冲效果好。（1 1）缓冲面积已定，要求选取衬垫的厚度；）缓冲面积已定

26、，要求选取衬垫的厚度；（2 2）优化缓冲包装材料用料；）优化缓冲包装材料用料；（3 3）求解产品跌落冲击时的最大加速度。）求解产品跌落冲击时的最大加速度。stWA已知产品质量已知产品质量W、脆值、脆值Gm、跌落高度、跌落高度H及缓冲材料的及缓冲材料的Gmax st（1 1）计算静应力：）计算静应力：（2 2）从相应跌落高度从相应跌落高度H下的某材料下的某材料Gmax st曲线图中查取曲线图中查取 st 与指定产品与指定产品Gmax的交点；的交点；（3 3）找出相应的曲线；）找出相应的曲线；（4 4）选定合适的衬垫厚度。）选定合适的衬垫厚度。曲线，对全面缓冲而言，缓冲面积已确定，只需求出厚度曲线

27、，对全面缓冲而言，缓冲面积已确定，只需求出厚度T T。具体具体设计步骤为：设计步骤为：解：计算静应力：解：计算静应力：5415.5 9.80.0243 10(Pa)2.43(kPa)25 25 10sWA从从图图6-5中中查取查取 st=2.43kPa 与与Gm=55的交点的交点B；本例中；本例中B点正好落在点正好落在T=5cm的曲线上，则求选定缓冲衬垫的合适厚的曲线上，则求选定缓冲衬垫的合适厚度度T=5cm。如如Gm=60时，则交点为时，则交点为D。D落在落在T=4cm和和T=5cm两条曲两条曲线之间，通过插值得厚度线之间，通过插值得厚度T=4.3cm 一质量为一质量为15.5kg，脆值为脆

28、值为55的产品，拟用全的产品，拟用全面缓冲包装，装入底面积面缓冲包装，装入底面积为为2525cm2的包装箱内，的包装箱内，设计跌落高度取设计跌落高度取60cm，采，采用的聚苯乙烯缓冲材料，用的聚苯乙烯缓冲材料，图图6-5是是H=60cm时时Gmax st曲线曲线，要求选，要求选定合适的衬垫厚度。定合适的衬垫厚度。图图6-5 6-5 聚苯乙烯的最大加速度聚苯乙烯的最大加速度-静应力曲线静应力曲线 BDsWA（1）以）以Gmax值在值在Gmax st图中画一水平线；图中画一水平线；（2 2）找出水平线与每根曲线的交点，得一）找出水平线与每根曲线的交点，得一T T值对应有两个值对应有两个 st（3

29、3）取）取 st中较大者计算承压面积中较大者计算承压面积（4）计算缓冲材料体积）计算缓冲材料体积V=AT；（5）对与）对与Gm对应水平线相交的每根曲线重复（对应水平线相交的每根曲线重复（3）、（）、（4）计）计 算出一组算出一组V；（6）选其中最小的）选其中最小的V值，再按衬垫组合完成局部缓冲设计。值，再按衬垫组合完成局部缓冲设计。某产品质量某产品质量M=10kg，脆值脆值G=73，底面积为，底面积为3535cm2，包装件的设计，包装件的设计跌落高度跌落高度H=90cm，选用的，选用的缓冲材料的缓冲材料的Gmax st 如如图图6-6所示。试问该产品更所示。试问该产品更适用于全面缓冲还是作局适

30、用于全面缓冲还是作局部缓冲？部缓冲？图图6-6 6-6 Gmax st 曲线的使用方法曲线的使用方法 D1D2D3在图在图6-6上，作直线上，作直线Gm=73和直线和直线 st=0.8kPa，它们的，它们的交点交点F 落在给定曲线族之外。这表示，即使厚度落在给定曲线族之外。这表示，即使厚度T=12.5cm，也不能保证产品的安全。若坚持作全面缓冲，也不能保证产品的安全。若坚持作全面缓冲设计，则衬垫厚度还要大大增加，经济上是不合理的。设计，则衬垫厚度还要大大增加，经济上是不合理的。解：对产品作全面缓冲时，衬垫静压力为解：对产品作全面缓冲时，衬垫静压力为 410 9.8800(Pa)0.8(kPa)

31、35 35 10sMgA 若采用局部缓冲，可按本节介绍的若采用局部缓冲，可按本节介绍的(1)-(6)步骤计算。步骤计算。在图中取在图中取Gm=73作一条水平直线与缓冲曲线族作一条水平直线与缓冲曲线族T=5cm、7.5cm、10cm分别分别相相交于交于D1、D2、D3，对应静应力分别为，对应静应力分别为:sD1=2.5kPa=0.25N/cm2，sD2=9.5kPa=0.95N/cm2，sD3=19kPa=1.9N/cm2故：故：T=5cm时，衬垫面积可取为：时，衬垫面积可取为：)(39225.08.91021cmWAsD缓冲材料体积为：缓冲材料体积为：V=AT=3925=1960cm3衬垫的稳

32、定性校核：衬垫的稳定性校核：22min(1.33)44(cm)AT T=7.5cm时，衬垫面积可取为：时，衬垫面积可取为：)(2.10395.08.91022cmWAsD缓冲材料体积为：缓冲材料体积为：V=AT=103.27.5=773.7cm3衬垫的稳定性校核：衬垫的稳定性校核：)(99)33.1(22mincmTAT=10cm时，衬垫面积可取为：时，衬垫面积可取为：)(6.519.18.91023cmWAsD缓冲材料体积为：缓冲材料体积为：V=AT=51.610=516cm3衬垫的稳定性校核：衬垫的稳定性校核：)(9.176)33.1(22mincmTA失稳失稳综上：综上：T=7.5cmT

33、=7.5cm时，时，A=103.2cmA=103.2cm2 2，用材体积最小，故为优化用料设计。，用材体积最小，故为优化用料设计。产品质量产品质量m=25kg，脆值，脆值Gm=55,包装件的跌落高度包装件的跌落高度H=90cm采用图采用图6-6所示材料作局部缓冲，试求衬垫的厚度与面积。所示材料作局部缓冲，试求衬垫的厚度与面积。解：图解：图6-66-6中中Gm=55水平直线与水平直线与T=7.5cm的曲线交于的曲线交于B1、B2；由于由于B2点静应力大，设计出的衬垫面积小。为节省材料而选用点静应力大，设计出的衬垫面积小。为节省材料而选用B2点，此时静应力为：点，此时静应力为：26.2(kPa)0

34、.62(N/cm)st225 9.8395(cm)0.62stWA2min39599(cm)44AA22min(1.33)99(cm)AT计算衬垫面积计算衬垫面积采用四个面积相等的脚垫，则每个脚垫的面积为采用四个面积相等的脚垫，则每个脚垫的面积为衬垫的稳定性校核：衬垫的稳定性校核：解：解：在图在图6-6上作水平直线上作水平直线Gm=65，邻近曲线有两条，一条，邻近曲线有两条，一条T=5cm，一条，一条T=7.5cm;T=5cm的曲线在的曲线在Gm=65之上，若取之上，若取T=5cm，则必有，则必有GmG，不安全。，不安全。T=7.5cm的曲线最低点离的曲线最低点离Gm=65太远，若取太远，若取

35、T=7.5，则衬垫太厚，太不经济。，则衬垫太厚，太不经济。产品质量产品质量m=25kg，脆值，脆值Gm=65，包装件的设计跌落高度，包装件的设计跌落高度H=90cm，采用图，采用图6-6所示材料作局部缓冲，求衬垫厚度与面积。所示材料作局部缓冲，求衬垫厚度与面积。根据根据T=5cmT=5cm曲线最低点的曲线最低点的GmGm与与T T的乘积为常量，即的乘积为常量，即 ()73 5365(cm)mG T最低点65()365(cm)mTG T最低点3655.62(cm)65T 65mG 未知曲线最低点未知曲线最低点，T待定，且待定，且故所求衬垫厚度为故所求衬垫厚度为s()73 2.5183(kPa)m

36、G最低点21832.82(kPa)0.282(N/cm)65smGs根据根据T=5cm曲线最低点的曲线最低点的与与的乘积为常量，即的乘积为常量，即s65mG 未知曲线最低点未知曲线最低点，则故待定的衬垫静应力，则故待定的衬垫静应力为：为：因此衬垫面积为因此衬垫面积为225 9.8869(cm)0.282sWA 衬垫面积为衬垫面积为）（最低点cm363.87.548.5)(TGm）（最低点cm363.8)(65TGTm故所求衬垫厚度为故所求衬垫厚度为)cm(6.5658.363TssmG65cm174.63.648.5)(）（最低点）（2cm/N0.269)kPa(69.2656.174s)cm

37、(8.910269.08.9252sWA m=20kg的某产品采用的某产品采用Gm-s曲线如图曲线如图6-5所示的缓冲材所示的缓冲材料，衬垫面积料，衬垫面积A=654cm2，厚度，厚度T=4.5cm，包装件的跌落高度，包装件的跌落高度H=60cm，试求产品跌落冲击时的最大加速度。，试求产品跌落冲击时的最大加速度。对于已经完成缓冲设计的包装件，产品质量、跌落高度、缓冲对于已经完成缓冲设计的包装件，产品质量、跌落高度、缓冲材料、衬垫面积与厚度都是已知量，运用该材料在设计跌落高材料、衬垫面积与厚度都是已知量，运用该材料在设计跌落高度下的度下的Gm-s曲线，只要计算衬垫的静应力，就可以用图解法曲线，只

38、要计算衬垫的静应力，就可以用图解法预测包装件跌落冲击时的最大加速度。预测包装件跌落冲击时的最大加速度。在图在图6-5上作上作 s=3kPa 垂直线，垂直线，在在T=4cm和和T=5cm两条曲线间两条曲线间插值，得到相当于衬垫厚度插值，得到相当于衬垫厚度T=4.5cm的的 s对应点对应点C，C点的纵坐标点的纵坐标Gm=55就是产品就是产品跌落冲击时的最大加速度。跌落冲击时的最大加速度。解：解：衬垫的静应力为衬垫的静应力为:420 9.83(kPa)654 10mmgA 图图6-5 6-5 聚苯乙烯的最大加速度聚苯乙烯的最大加速度-静应力曲线静应力曲线 C防振设计的目的在于调节包装件的固有频率防振

39、设计的目的在于调节包装件的固有频率,并且通过选择恰当并且通过选择恰当的阻尼材料的阻尼材料,把包装系统把包装系统(外包装外包装衬垫衬垫内装产品内装产品)的振动传递的振动传递率控制在预定的范围内。率控制在预定的范围内。在共振时，产品的在共振时，产品的响应加速度响应加速度可能会可能会超过超过其其脆值脆值导致破损。导致破损。长期振动会使产品产生长期振动会使产品产生疲劳损坏疲劳损坏和内装物同容器间的和内装物同容器间的摩擦损摩擦损伤伤。通常，衬垫总是先按缓冲要求进行设计，然后校核其防振能力通常，衬垫总是先按缓冲要求进行设计，然后校核其防振能力.单自由度包装系统在受迫振动条件下的振动响应单自由度包装系统在受

40、迫振动条件下的振动响应,可以用传递率可以用传递率表示表示,即即22221(2)(1)(2)rT 当频率比较小当频率比较小/0 0.3时，传时，传递率接近于递率接近于1，即产品的振动响应，即产品的振动响应和所受的激励相接近。和所受的激励相接近。这表明这表明,低频的运输工具很难激发固低频的运输工具很难激发固有频率较高的产品的振动。有频率较高的产品的振动。当频率比等于当频率比等于1时时,传递率有最大值。可以高达车辆振幅的数传递率有最大值。可以高达车辆振幅的数倍到数十倍，这种共振将导致产品破损，是设计所避免的倍到数十倍，这种共振将导致产品破损，是设计所避免的。要抑制产品的振动量小于车辆的振动量要抑制产

41、品的振动量小于车辆的振动量,必须满足频率比必须满足频率比/0 1.414的条件的条件,越大越大,产品振动越小。产品振动越小。在包装防振设计中在包装防振设计中,通常取通常取/0=2.55之间，这样产品的振之间，这样产品的振动量可以小到车辆振动的动量可以小到车辆振动的1/4 2/5。包装系统的阻尼系数式衰减系数是影响产品振动的另一因素。包装系统的阻尼系数式衰减系数是影响产品振动的另一因素。包装系统的防振性能包装系统的防振性能,取决于系统的固有频率取决于系统的固有频率0 0和阻尼系数和阻尼系数。对于非线性的缓冲包装系统：对于非线性的缓冲包装系统：mkf210E静平衡位置的弹性模量静平衡位置的弹性模量

42、 对于大多数缓冲材料对于大多数缓冲材料,特别是硬性的材料特别是硬性的材料,静平衡位置的弹性模量静平衡位置的弹性模量E与初始弹与初始弹性模量性模量E0相差不大相差不大,通常可取通常可取E=E0,则非线性包装系统的固有频率则非线性包装系统的固有频率:00st12E gfT0ddEAgWTWTgA对于线性系统：对于线性系统：包装内装物质量包装内装物质量5kg，易损度，易损度Gm=15，衬垫面积衬垫面积A=0.15m2，厚度，厚度T=0.05m，阻尼比，阻尼比=0.1，已知发泡聚乙烯材料的应力应变曲线，已知发泡聚乙烯材料的应力应变曲线如图如图6-8所示。现用铁路货车装运，货车振动所示。现用铁路货车装运

43、，货车振动最大加速度最大加速度G0=1.2，试校核缓冲材料的防振试校核缓冲材料的防振性能，是否可能导致内装物在运输过程中破性能，是否可能导致内装物在运输过程中破坏。坏。解：由应力解：由应力应变曲线得材料的初始应变曲线得材料的初始弹性率弹性率E0=6000N/m2，则包装系统的则包装系统的固有频率为固有频率为:)(55.905.08.9515.08.96000212100HzTgEfst (1)(1)=f/f0 1时时,即即ff0=9.55Hz时，时，Tr1.则则 Gmax=Tr G0=11.2=1.2 21/2时时,即即f1.414f0=1.4149.55=13.4Hz时，时，Tr1;更不会损

44、坏内装物。更不会损坏内装物。Gmax=Tr G0=5.21.2=6.24Gm，不会损坏内装物。不会损坏内装物。1.计算缓冲材料的静应力值计算缓冲材料的静应力值:=W/A2.找出静应力值所对应的缓冲材料振动传递率找出静应力值所对应的缓冲材料振动传递率频率特性频率特性(Trf)曲曲线，并找出该曲线峰值处的传递率线，并找出该曲线峰值处的传递率Tr及频率及频率f0(即共振频率即共振频率)。3.确定在流通过程中包装件在频率为确定在流通过程中包装件在频率为f0时的最大振动加速度时的最大振动加速度G0。4.计算产品在共振时的最大响应加速度计算产品在共振时的最大响应加速度:Gmax=TrG0.5.产品上的最大

45、响应加速度应小于产品的许用脆值。如果不满足产品上的最大响应加速度应小于产品的许用脆值。如果不满足这一条件缓冲衬垫应重新进行设计。这一条件缓冲衬垫应重新进行设计。6.当产品的最大加速度接近产品的许用脆值时，由于振动的反复当产品的最大加速度接近产品的许用脆值时，由于振动的反复作用可能导致产品疲劳损坏或降低缓冲材料的性能时，应重新进作用可能导致产品疲劳损坏或降低缓冲材料的性能时，应重新进行缓冲包装设计。行缓冲包装设计。产品重量产品重量36N，尺寸为，尺寸为0.25m0.25m，易损度为，易损度为30。冲击防护设计采用了全面缓冲方法，选冲击防护设计采用了全面缓冲方法，选0.05m厚缓冲衬垫。厚缓冲衬垫

46、。产品运输中受到的振动输入如图产品运输中受到的振动输入如图6-10所示。求包装件的共振所示。求包装件的共振频率和产品的最大响应加速度，并校核其防振安全度频率和产品的最大响应加速度，并校核其防振安全度。图图6-10 6-10 振动激励加速度振动激励加速度-频率曲线和振动传递率频率曲线和振动传递率-频率曲线频率曲线 解：解：st360.576(kPa)0.25 0.25WA根据静应力根据静应力 s及材料厚度及材料厚度T，查出材料的振动传递率，查出材料的振动传递率频率特性曲线如图频率特性曲线如图6-10所示，曲线的峰值频率所示，曲线的峰值频率f0=46Hz，传递率传递率Tr=6.由图由图6-10可知

47、，可知，46Hz时的加速度为时的加速度为1.7g，即包装件在共振时受到的振动输入为：即包装件在共振时受到的振动输入为：G0=1.7g，则，则产品的最大响应加速度为产品的最大响应加速度为:maxr06 1.7g10.2gGT G即在包装件的共振时，产品的最大响应加速度小于其易即在包装件的共振时，产品的最大响应加速度小于其易损度，趋于安全。损度，趋于安全。产品的重量为产品的重量为30kg，底面尺寸，底面尺寸0.3m0.3m，产品上的脆弱部，产品上的脆弱部件具有件具有25Hz的固有频率，的固有频率，0.02的阻尼比，可承受的最大冲击加速度的阻尼比，可承受的最大冲击加速度为为45g，产品的冲击防护设计

48、采用了全面缓冲方法，选用的缓冲材料，产品的冲击防护设计采用了全面缓冲方法，选用的缓冲材料厚度为厚度为0.1m，运输过程中的振动输入如图，运输过程中的振动输入如图6-12所示。忽略疲劳作用，所示。忽略疲劳作用，确定这样的衬垫能否提供足够的振动防护？确定这样的衬垫能否提供足够的振动防护？图图6-12 6-12 振动激励加速度振动激励加速度-频率曲线和振动传递率频率曲线和振动传递率-频率曲线频率曲线 解：解：确定包装件共振时脆弱部件的响应加速度确定包装件共振时脆弱部件的响应加速度:根据静应力根据静应力 s及材料厚度及材料厚度T，查出材料的振动传递率，查出材料的振动传递率频率特性曲线如图频率特性曲线如

49、图6-12所示，曲线的峰值频率所示，曲线的峰值频率f0=7Hz，传递率传递率Tr=2.5.由图由图6-12可知，可知，7Hz时包装件在共振时受时包装件在共振时受到的振动输入为：到的振动输入为：G0=1g，则产品的最大响应加速度，则产品的最大响应加速度为为:则脆弱部件的响应为则脆弱部件的响应为:st3003.33(kPa)0.3 0.3WAmaxr02.5 1g2.5gGT G070.28;0.0225ff22r2 222 221(2)1(2 0.02 0.28)1.04(1)(2)(1 0.28)(2 0.02 0.28)Trmax1.04 2.52.645GTGggg 由图由图6-12查得频

50、率查得频率25Hz时的振动输入加速度为时的振动输入加速度为0.55g，在图在图6-12上查得振动传递率为上查得振动传递率为0.25，则产品的最大加速，则产品的最大加速度响应为度响应为:确定脆弱部件共振时的响应加速度确定脆弱部件共振时的响应加速度:maxr00.25 0.55g0.14gGT G脆弱部件共振时有脆弱部件共振时有:r112522 0.02T则脆弱部件的响应为则脆弱部件的响应为:rmax25 0.14g3.5gGT G所以，由冲击防护选定的衬垫可以提供足够的振动防护。所以，由冲击防护选定的衬垫可以提供足够的振动防护。全面缓冲包装是用缓冲材料填满被包装物与外箱之间的空隙。全面缓冲包装是

51、用缓冲材料填满被包装物与外箱之间的空隙。这种方法适用于小批量、多品种、异形、零散的产品的一次性包这种方法适用于小批量、多品种、异形、零散的产品的一次性包装。对于大中型产品用这种包装，耗料多，成本高，而且缓冲效装。对于大中型产品用这种包装，耗料多，成本高，而且缓冲效果也不一定好，一般不宜采用。果也不一定好，一般不宜采用。在进行全面缓冲包装设计时应注意一下两点：在进行全面缓冲包装设计时应注意一下两点：在流通过程中，由于外界激励的作用，缓冲包装材料与在流通过程中，由于外界激励的作用，缓冲包装材料与包装物之间的相对摩擦作用，可能引起包装物表面擦伤。包装物之间的相对摩擦作用，可能引起包装物表面擦伤。因此

52、，要求缓冲包装材料装填致密，减少相对滑动。因此，要求缓冲包装材料装填致密，减少相对滑动。产品长期贮存及环境温度变化将引起缓冲层在载荷作用产品长期贮存及环境温度变化将引起缓冲层在载荷作用下的蠕变，影响缓冲功能。因此，全面缓冲包装设计中更下的蠕变，影响缓冲功能。因此，全面缓冲包装设计中更需注意蠕变因素。需注意蠕变因素。(1)(1)填充式包装填充式包装(2)(2)模压包装模压包装 (3)(3)裹包包装裹包包装 (4)(4)现场发泡包装现场发泡包装 l局部缓冲包装，就是在包装物与外包装箱之间采用棱角或侧面衬局部缓冲包装，就是在包装物与外包装箱之间采用棱角或侧面衬垫，以达到缓冲的目的。垫，以达到缓冲的目

53、的。l它根据被包装产品的重量、环境条件及包装材料的缓冲系数来选它根据被包装产品的重量、环境条件及包装材料的缓冲系数来选取使用面积，达到良好的缓冲效果且经济性也好，适合大批量产取使用面积，达到良好的缓冲效果且经济性也好，适合大批量产品的包装。品的包装。l局部缓冲包装结构设计中必须注意，衬垫应放置在产品棱角处或局部缓冲包装结构设计中必须注意，衬垫应放置在产品棱角处或结构强度较大处，并防止衬垫与包装物之间产生相对运动。结构强度较大处，并防止衬垫与包装物之间产生相对运动。l此外，由于这种结构材料用量少，载荷大，蠕变不容忽视。要求此外，由于这种结构材料用量少，载荷大，蠕变不容忽视。要求结构设计时应确保衬

54、垫具有足够的强度。结构设计时应确保衬垫具有足够的强度。(1)(1)八角衬垫包装八角衬垫包装 l八角衬垫又称包角，用八角衬垫又称包角，用EPSEPS、EPEEPE、PURPUR压压制，或板块切割后粘合成型。这种衬垫通用制，或板块切割后粘合成型。这种衬垫通用性广，适用多品种少批量正方体、长方体产性广，适用多品种少批量正方体、长方体产品的包装。品的包装。l有时，可将瓦楞纸板与其粘结在一起，使有时，可将瓦楞纸板与其粘结在一起，使用就更加方便了。用就更加方便了。l对于长方体产品的包对于长方体产品的包装，如果八角衬垫接触装，如果八角衬垫接触面积不够，则可在中间面积不够，则可在中间加入四个加入四个“L”L”

55、型衬垫，型衬垫，以增加缓冲面积和支承以增加缓冲面积和支承强度强度 。(2)(2)二侧衬垫包装二侧衬垫包装l二侧衬垫是利用二侧衬垫是利用EPSEPS、EPEEPE、PURPUR材料压制或切割成型。它的特材料压制或切割成型。它的特点是装箱方便，适合大批量产品及自动化包装。点是装箱方便，适合大批量产品及自动化包装。l如果外包装采用纸箱包装，左右衬垫的支撑作用可提高包装如果外包装采用纸箱包装，左右衬垫的支撑作用可提高包装件的堆码强度，提高产品流通过程中的安全性。件的堆码强度，提高产品流通过程中的安全性。l缺点是通用性较差，如产品外形改变，就需重新设计模具。缺点是通用性较差，如产品外形改变，就需重新设计

56、模具。(3)(3)圆柱角衬垫包装圆柱角衬垫包装l圆柱角衬垫是用圆柱角衬垫是用EPEEPE、EPSEPS等材料挤压成圆柱形。然后根据产品高度等材料挤压成圆柱形。然后根据产品高度及缓冲所需要材料的接触面积及厚度，将泡沫圆柱切割成长度、形及缓冲所需要材料的接触面积及厚度，将泡沫圆柱切割成长度、形状合适的圆柱角衬垫，包装时将四根圆柱角衬垫放在产品四角，再状合适的圆柱角衬垫，包装时将四根圆柱角衬垫放在产品四角，再放入箱内。放入箱内。l用圆柱角衬垫结构的包装对冲击具有良好的缓冲性能，由于圆柱的用圆柱角衬垫结构的包装对冲击具有良好的缓冲性能，由于圆柱的支撑作用提高了包装件抗压强度。支撑作用提高了包装件抗压强

57、度。l这种结构受产品形状改变的影响很小，操作工序简单，适合于大小这种结构受产品形状改变的影响很小，操作工序简单，适合于大小批量的产品包装。批量的产品包装。(4)(4)块垫包装块垫包装l 块垫是采用块垫是采用EPEEPE板料切割成方块，粘合在瓦楞纸盒、箱内或纸板上。板料切割成方块，粘合在瓦楞纸盒、箱内或纸板上。该结构适合于轻、小产品与大批量包装，节省材料、工艺简单。一该结构适合于轻、小产品与大批量包装，节省材料、工艺简单。一般说来，块垫支承产品包装的结构强度较好，且支撑点分布均匀。般说来，块垫支承产品包装的结构强度较好，且支撑点分布均匀。悬挂缓冲包装是用弹簧、橡皮悬挂缓冲包装是用弹簧、橡皮带等把

58、产品悬吊在外包装箱内带等把产品悬吊在外包装箱内的一种方法。这种方法适用于的一种方法。这种方法适用于单件，且缓冲性能要求高的产单件，且缓冲性能要求高的产品包装。如果设计得好，悬挂品包装。如果设计得好，悬挂缓冲包装的保护功能优良，但缓冲包装的保护功能优良，但要求外包装有良好的结构强度。要求外包装有良好的结构强度。l有的产品在全面缓冲包装中有的产品在全面缓冲包装中让其凸起部分让其凸起部分“裸露裸露”。l另外，对于大中型产品，某另外，对于大中型产品，某些部分件可能很脆弱，包装时些部分件可能很脆弱，包装时可将易碎部件拆卸后单独进行可将易碎部件拆卸后单独进行包装，这样可提高包装缓冲性包装，这样可提高包装缓

59、冲性能，节约包装缓冲材料能，节约包装缓冲材料(例如落例如落地电扇、缝纫机等产品的包装地电扇、缝纫机等产品的包装)。l一些大而重、防震缓冲要求高的产品，如大型仪器、电子计算机和导弹发一些大而重、防震缓冲要求高的产品，如大型仪器、电子计算机和导弹发射装置等，运输时产品与缓冲材料接触处易产生应力集中，在外力作用下很射装置等，运输时产品与缓冲材料接触处易产生应力集中，在外力作用下很容易损坏或者出现凹痕。因此设法扩大受载面积。如图所示的产品放在刚度容易损坏或者出现凹痕。因此设法扩大受载面积。如图所示的产品放在刚度较大的垫板上，再用衬垫实施缓冲并避免应力集中。较大的垫板上，再用衬垫实施缓冲并避免应力集中。

60、l常规缓冲包装设计，加速度常规缓冲包装设计，加速度-静应力曲线、缓冲系数静应力曲线、缓冲系数-最最大应力曲线均来自实验测定。美国军用标准大应力曲线均来自实验测定。美国军用标准Mil-HDBK-304A（1974），文后列了），文后列了800多条曲线，还不能包含许多多条曲线，还不能包含许多实际应用的包装材料的特性。如果要求这些曲线能表征加实际应用的包装材料的特性。如果要求这些曲线能表征加速度、应力、材料尺寸、跌落高度、温度、湿度等参量，速度、应力、材料尺寸、跌落高度、温度、湿度等参量，实验的次数就要达到亿次数量，试验工作量十分巨大，耗实验的次数就要达到亿次数量，试验工作量十分巨大，耗资耗时甚为可

61、观。资耗时甚为可观。l为了克服这问题，许多学者运用有限元软件，建立已知为了克服这问题，许多学者运用有限元软件，建立已知环境条件、产品特性和包装材料条件下的缓冲结构数学模环境条件、产品特性和包装材料条件下的缓冲结构数学模型，同时考虑产品包装的性能以及包装的经济性，进行计型，同时考虑产品包装的性能以及包装的经济性，进行计算机包装辅助设计。算机包装辅助设计。l这种方法大大降低了试验工作量，又能得出包装材料的这种方法大大降低了试验工作量，又能得出包装材料的最少用量，同时加快了设计速度，因此是一种经济高效的最少用量，同时加快了设计速度，因此是一种经济高效的设计方法。设计方法。l常用有限元分析通用软件：常用有限元分析通用软件：ANSYS/DYNAABAQUS MSC.NASTRAN MSC.MARC 谢谢大家