《缓冲包装设计》PPT课件.ppt

第六章 缓冲包装设计,主讲教师：高德教授,三、缓冲包装衬垫设计,一、缓冲包装设计的基本要求,四、缓冲包装结构设计,五、本章小结,授课知识点,包装动力学的振动与冲击基本理论、缓冲包装材料、产品的脆值及破损边界理论，为进行产品的缓冲包装设计提供了基础。,第一节 缓冲包装设计的基本要求,一、缓冲包装设计考虑的因素,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、外包装容器和封缄材料的特性、包装技术与方法以及包装产品的性价比等。,1.被包装产品特性,产品的主要特性包括：脆值、形状、尺寸、体积、重量与重心。,2.流通环境因素,产品在流通过程中，应考虑运输区间、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。,3缓冲包装材料,4.外包装容器,5.封缄材料的特性; 6.包装的工艺性; 7.其它包装技术:,缓冲性能,结构、形状、材质及强度;,如防潮、防水、防锈、防尘等。,第一节 缓冲包装设计的基本要求,1.保护性： 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。 保护产品的表面及凸起部分。 防止产品相互接触。 防止产品在包装容器内移动。 保护其它防护包装。 2.经济性： 包装不足高破损率，过分包装高包装成本。 3.方便性： 方便包装，方便使用，方便处理包装废弃物。 4.环保性 符合包装与生态相容性及循环经济的要求。,二、缓冲包装设计的要求,第一节 缓冲包装设计的基本要求,第二节 缓冲包装设计步骤,1. 一般步骤： 确定环境: 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。 分析产品: 产品脆值;产品固有频率;产品的形状、尺寸、体积、重量、重心，数量等。 缓冲衬垫的设计: 对产品提供冲击和振动防护; 综合考虑安全、实用、经济等各方面的因素。要了解缓冲材料的力学特性，以及加工的工艺性能和价格等。,一缓冲包装设计的步骤,设计并制作包装件样品: 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, 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。 对包装件样品进行试验 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，必须通过实测，才能确认。 包括: 跌落试验; 定频与变频正弦振动试验; 随机振动试验.,第二节 缓冲包装设计步骤,2. 美国Lansmont公司提出的 缓冲包装设计六步法 流通环境的确定 确定产品特性 产品的重新设计 选择缓冲材料 包装设计 包装件的试验,第二节 缓冲包装设计步骤,三种途径进行缓冲设计，有时需用振动传递率曲线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校核，一般当求得的面积太小，厚度太大时，衬垫在产品冲击力作用下，会产生弯曲变形，因此要采用下列经验公式校核衬垫的稳定性：,缓冲包装设计的主要任务是求取缓冲衬垫的面积和厚度，由于缓冲材料的特性大多数呈非线性，应力应变关系往往十分复杂，常用的数值积分法求解加速度时间函数因过于繁琐而不便应用。 目前国内外普遍采用: 1.缓冲系数与最大应力曲线,第三节 缓冲包装衬垫设计,2.最大加速度与静应力曲线,3.应力应变曲线,曲线上查出最低点的C与 值。,一、缓冲系数与最大应力曲线法,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,1. 缓冲材料的用量计算,已知,及某选定缓冲包装材料的 曲线，计算,从,求出缓冲面积：,求出缓冲材料的厚度,缓冲材料的合理用量。,(1)对缓冲面积的大小无特殊要求，设计过程为：,第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-1 一重量为10kg的产品,脆值为80g,要保证从60cm的高处跌落而不被损,规定用密度为0.037g/cm3的聚氯乙烯(图4-35)作衬垫,试计算衬垫所需尺寸。 解：整理已知条件：W=10,Gm=80,H=60 查图4-35,这种聚氯乙烯材料在 =1.6105Pa 时有最小缓冲系数,c=3.8,故按式(6-2),承受跌落的负载面积：,即本例所求的衬垫尺寸At=4902.85(cm3),第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-2 一质量为9Kg的产品，脆值为50，装入底面积为750cm2的箱内，设定的跌落高度为60cm，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。 解:整理已知条件，W= 9Kg, G=50g , H=60cm 由图4-35缓冲系数曲线知，最小缓冲系数C=5.7，对应的应力值为m =0.17l05Pa， 故有,第三节 缓冲包装衬垫设计,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，则它的最小缓冲系数为C=3.3，对应的最大应力值为m =0.7l05Pa，此时的承载面积为:,衬垫厚度为:,校核：,所以，缓冲垫的尺寸为A=630cm2；T=3.96cm。,第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-3某产品质量为15Kg,脆值Gm=60,包装箱底面积为4040cm2,设计的跌落高度H=80cm,欲以图4-35所示的密度为0.031g/cm3的聚氯乙烯泡沫作全面缓冲,试求该衬垫厚度。,(2)缓冲面积已给定,在缓冲面积有特殊要求的情况下，可以按下列过程进行包装设计：,求出最大允许应力,由,曲线查得,由缓冲材料厚度,求出厚度。,对应的C；,第三节 缓冲包装衬垫设计,如果规定用缓冲材料是图4-35中的曲线10，则在横轴上取m =0.55l05Pa的点，并向上作垂线与曲线10相交，该交点的纵坐标C=9就是所要求的缓冲系数，故衬垫的厚度为：,解：作全面缓冲时，衬垫面积等于产品面积，即A=1600cm2。 衬垫最大应力为：,第三节 缓冲包装衬垫设计,在 曲线图中，根据所求得的C值作一水平直线，这时可 能出现两种情况：（a）水平线与曲线无交点，说明这种缓冲垫厚度T不合要求，可以更换或用多层缓冲垫以增加厚度；（b）水平线与,(3)缓冲垫的厚度已给定,则按下面过程进行缓冲包装设计： 由式（6-3）求出缓冲系数,第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-4 被包装物质量W=25Kg，易损度Gm=40，跌落高度H=70cm，现有缓冲材料的,曲线如图6-2所示，材料厚T=4cm，要求衬垫面积小于6000cm2，应如何进行缓冲包装设计？,图6-2 缓冲材料,曲线,第三节 缓冲包装衬垫设计,解：这个题型是对缓冲面积有特殊要求的。先考虑用一层缓冲垫，则,求出缓冲系数,在图6-2中作C=4.57水平线，与曲线交于两点，取,第三节 缓冲包装衬垫设计,求出缓冲面积,表明使用二层缓冲衬垫时，缓冲面积至少要求有8333cm2 ，超过允许值，不符合要求。 需用三层衬垫：,求出缓冲系数,第三节 缓冲包装衬垫设计,在图6-2中作C=6.9水平线，与曲线交于两点，取,求出缓冲面积,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。,第三节 缓冲包装衬垫设计,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,已知 要求在几种缓冲材料中选出一种，使缓冲效果最佳。,（1）缓冲面积可灵活选择 具体的设计过程为： 选择所有曲线中的最小值C，查出对应的,求出缓冲面积,求出缓冲垫厚度,2. 选择缓冲包装材料,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。,确定对应的材料,第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-5 质量为5kg的一电子产品，用图6-3所示的第2种缓冲材料做衬垫，在运输过程中，产品能承受的最大加速度为30（g），跌落高度为50cm，试设计缓冲包装材料的接触面积和承压厚度。,图6-3 缓冲系数与最大静应力曲线,第三节 缓冲包装衬垫设计,解：整理已知条件:W=5kg，Gm=30，H=50cm，指定缓冲材料，查图6-3得：最大应力,=7.0kPa时，缓冲系数,最小C=4.2。则缓冲面积和衬垫厚度：,第三节 缓冲包装衬垫设计,在 图中，经过这个求出的最大允许应力,求出最大允许应力,根据确定的C，求缓冲垫的厚度,（2）缓冲面积已给定,值，作垂直线，查出最低交点C；,设计过程为：,第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-6 产品质量15kg，易损度30（g），产品面积为2000cm2，跌落高度85cm，拟采用全面缓冲包装，在图6-3中的五种缓冲材料中选用一种，并求出所需厚度。 解：这属于缓冲面积已给定的情况 求出最大允许应力,第三节 缓冲包装衬垫设计,在,图中，经过这个求出的最大允许应力,值，作垂直线，查出最低交点,C=5.4；确定使用材料4；,根据确定的C，求缓冲垫的厚度,第三节 缓冲包装衬垫设计,已知产品的重量W，跌落高度H，易损度Gm，缓冲材料的,曲线，缓冲面积A及缓冲材料厚度T，欲求最大冲击力Pm和最大加速度Gmax，并校核缓冲包装是否符合要求。 一般来说，包装产品所受到的最大冲击力可以表示为：,又根据缓冲材料跌落过程中能量守恒定律，则：,3最大冲击力Pm和最大加速度Gmax,最大加速度为：,第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-7 被包装物质量为10kg，易损度G=30，跌落高度H=80cm，采用全面缓冲，且缓冲面积 缓冲材料的 曲线如图6-4所示，材料厚度T=20cm。试求最大作用力和最大加速度 ，并校核缓冲包装设计。,图6-4 缓冲材料 曲线,第三节 缓冲包装衬垫设计,在图6-4上作曲线 ，与原曲线交于B点，查出B点的坐标值：,解：由式（6-5）得,则得,所以该缓冲包装符合设计要求。B点离曲线最小值点较近，表明缓冲效果好。,第三节 缓冲包装衬垫设计,二、最大加速度与静应力曲线的应用,主要问题有三类：（1）缓冲面积已定，要求选取衬垫的厚度； （2）优化缓冲包装材料用料； （3）求解产品跌落冲击时的最大加速度。,已知产品质量W、脆值Gm、跌落高度H及缓冲材料的,（1）计算静应力：,（2）从相应跌落高度H下的某材料,曲线图中查取,（3）找出相应的曲线； （4）选定合适的衬垫厚度。,1.设计衬垫厚度,曲线，对全面缓冲而言，由于缓冲面积已经确定，只需求出厚度T。 具体设计步骤为：,与指定产品Gmax的交点；,第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-8 一质量为15.5kg，脆值为55的产品，拟用全面缓冲包装，装入底面积为2525cm2的包装箱内，设计跌落高度取60cm，采用的聚苯乙烯缓冲材料，图6-5是H=60cm时 曲线，要求选定合适的衬垫厚度。,图6-5 聚苯乙烯的最大加速度-静应力曲线,第三节 缓冲包装衬垫设计,解：计算静应力：,从图6-5中查取 与Gm=55的交点B；本例中B点正好落在T=5cm的曲线上，则求选定缓冲衬垫的合适厚度T=5cm。,第三节 缓冲包装衬垫设计,2. 优化缓冲包装材料用料,（1）以Gmax值在,（2）找出水平线与每根曲线的交点，得一T值对应有两个,（3）取,中较大者计算承压面积,（4）计算缓冲材料体积V=AT； （5）对与Gm对应水平线相交的每根曲线重复（3）、（4）计算出一组V； （6）选其中最小的V值，再按衬垫组合完成局部缓冲设计。,图中画一水平线；,第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-9 某产品质量M=10kg，脆值G=73，底面积为3535cm2，包装件的设计跌落高度H=90cm，选用的缓冲材料的 如图6-6所示。试问该产品更适用于全面缓冲还是作局部缓冲？,图6-6 曲线的使用方法,第三节 缓冲包装衬垫设计,在图6-6上，作直线 和直线 ，它们的交点F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,第三节 缓冲包装衬垫设计,若采用局部缓冲，可按本节介绍的(1)-(6)步骤计算。本例中T=5cm，它的 曲线最低点 的纵坐标恰好等于该产品的脆值，此时的静应力 ，故衬垫面积可取为,采用四个等面积支承垫，则每个垫的面积为,第三节 缓冲包装衬垫设计,最后作衬垫的稳定性校核：,以上计算表明，局部缓冲可大大减小衬垫的厚度和面积，所以，对于这个产品和指定材料，局部缓冲方案明显优于全面缓冲。,第三节 缓冲包装衬垫设计,点静应力小，所需衬垫面积大；点 静应力大，衬垫面积小。为节省材料而选用,例6-10 产品质量 ，脆值 包装件的跌落高度,采用图6-6所示材料作局部缓冲，试求衬垫的厚度与面积。,解：图6-6中,水平直线与T=7.5cm的曲线交于 、,点，此时静应力为,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,衬垫的稳定性校核：,第三节 缓冲包装衬垫设计,解：在图6-6上作水平直线 ，邻近曲线有两条，一条T=5cm，一条T=7.5cm，T=5cm的曲线在 之上，若取T=5cm，则必有GmG，不安全。T=7.5cm的曲线最低点离,例6-11 产品质量m=25kg，脆值Gm=65，包装件的设计跌落高度H=90cm，采用图6-6所示材料作局部缓冲，试求衬垫的厚度与面积。,太远，若取T=7.5，则衬垫太厚，太不经济。因此设想有一条未知曲线，如图中虚线，其最低点的,计算所求的衬垫面积与厚度。,恰好等于65，,（1）按T=5cm曲线最低点计算 根据T=5cm曲线最低点的,与T的乘积为常量，即,第三节 缓冲包装衬垫设计,未知曲线最低点,，T待定，且,故所求衬垫厚度为,根据T=5cm曲线最低点的,与,的乘积为常量，即,未知曲线最低点,，则故待定的衬垫静应力,为：,第三节 缓冲包装衬垫设计,因此衬垫面积为,（2）按T=7.5cm曲线最低点计算 同理：T=7.5cm，衬垫面积为A=881（cm2）,由此可见，按上下两条邻近曲线求得衬垫面积与厚度非常接近，说明这种计算方法是合理的。,第三节 缓冲包装衬垫设计,例6-12 m=20kg的某产品采用 曲线如图6-5所示的缓冲材料，衬垫面积 ，厚度T=4.5cm，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。,对于已经完成缓冲设计的包装件，产品质量