航天智能型可拆卸式儲運包裝箱的優化設計

姚然 李福濱 張立寧 韓磊 王國智

摘 ?要：根據目前航天儲運包裝箱結構不規范、尺寸規格多樣及作用單一的特點，結合航天產品使用工況、儲運條件、檢測等特殊要求，從建立目標函數出發，對現有儲運包裝箱進行優化與改進設計，提出一種模塊化、可拆卸式及智能型與檢測于一體的航天產品包裝箱，為其進一步推廣和應用提供了參考。

關鍵詞：航天;智能;模塊;包裝箱;優化

0 引言

航天產品因應用工況的特殊性，使得它在儲存、運輸時有別于一般產品，尤其是對溫度、濕度、振動、防潮等方面的要求極高，否則會嚴重影響航天產品的貯存壽命和各項性能[1]。

單從包裝箱選材上分析，現行業內大多數包裝箱采用木質或鐵質材料，由于木質材料的成本低、重量輕，應用較為廣泛，但其易開裂、壽命短、防潮效果差;鐵質包裝箱雖然密封效果好，但重量較大，不耐腐蝕，占地面積大，且重復使用率低，兩者均不適合未來航天儲運包裝箱材料。

近年來，隨著科學技術發展，國內外對新型材料的研究越來越深入[1]，應用領域也逐漸擴大，儲運包裝箱正逐步被具有輕質、耐腐蝕、防霉特性的材料所取代，結構形式也更趨于模塊化設計，包裝箱通過增加各種傳感器而具備了更多智能化的功能，可實時監測箱內環境條件并進行時時反饋分析，包裝箱設計變得更加科學合理。

本文結合航天儲運相關標準，從選材、尺寸優化、智能化、規整化等設計角度出發，開展智能型可拆卸式航天包裝箱設計研究。基于以上分析，為了實現關鍵目標和滿足必要約束條件，確定包裝箱規格系列化研究的技術路線從選材、方案、智能這幾方面進行設計。

1、選材設計

在滿足強度、剛度等基本要求情況下，航天包裝箱選材重點考察質量與成本及重復使用率。碳纖維復合材料是目前最先進的材料之一，因其具有質量輕、強度高、耐高溫、抗腐蝕及熱力學性能優良等特點[2]。碳纖維復合材料非常適用于航天儲運環境，實現循環再利用、節約成本的功能，面板之間的連接件材料采用鍍鋅鋼，面板四周為鋼邊，面板之間加強筋為空心方管，通過鉚接增強整體強度和剛度。這種設計方式大大增加了箱體整體強度，同時降低了邊角破損率。

2、方案設計

航天用包裝箱必須有效隔絕風、霜、雨、雪、沙塵、鹽霧、陽光暴曬、化學污染、微生物等外部惡劣環境，并且避免產品運輸、存儲過程中因震動、環境等對電器系統的損害[2]。結合航天產品包裝箱區別于其他行業的要求，本文提出快裝可拆卸型包裝箱方案，該方案是一種較為經濟、安裝方便、可重復使用的設計方案，其面板摒棄原有的木制及金屬材料，采用高品質的碳纖維復合材料板。

2.1 包裝箱尺寸高度多目標模型

國內外學者關于包裝箱尺寸設計的研究，主要集中在如下三個方面：包裝尺寸規格系列化、標準化的研究[2- 4];集裝箱與包裝箱尺寸優化的研究[4];減少包裝箱原材料用量。

研究中缺乏改善包裝箱規格過多的問題，此外航天包裝箱的尺寸通常只根據特定產品外觀最大包絡進行尺寸定值，無法滿足多種產品應用，關于系列化尺寸設計的研究是一個空白。

產品高度是研究拼接式包裝箱尺寸的必要條件，本文基于該行業的多種產品水平放置狀態及多種包裝箱入手，研究如何減少航天產品包裝箱尺寸規格及數量，確定了包裝箱高度尺寸的選型方案以及每種規格適用的產品。

2.2.1 包裝箱面板多目標優化模型

優化每個包裝規格的面板高度尺寸 Hc，本文考慮設計一個系列的包裝箱面板高度尺寸{Hcj}，使得不同產品在不同的應用需要時最優化的找到合適的拼接包裝箱。包裝箱面板優化考慮兩個目標：包裝箱的原材料面板用量最少及該包裝規格的系列面板能夠使得所有產品在裝箱時高度方向利用率最大。問題可以描述為如下數學模型：

2.2面板模塊化設計

該快裝箱方案克服傳統包裝箱尺寸不統一，造成空間浪費問題。包裝箱設計遵循智能化、模塊化、可拆卸式設計原則，根據目標函數的提出和實際產品的需求根據大多數型號外形尺寸設計該包裝箱結構主要由頂板（2m×1m）、側板（1m×1m）、底板（2m×1m），兩種模塊組成，形成了拼接標準系列。底板和頂板模塊的尺寸為2m×1m，采用鋁合金框架結構，通過方管型材焊接而成，各主梁之間設置了加強筋，使得板的承載能力加強，強度更高，底板作為儲物的主要承力部件。

航天儲運包裝箱模塊化設計方式，能夠滿足不同儲物的承載、工況、空間使用需求，具有極強的適應性，其可重復利用性，大大降低了成本。

3、包裝箱智能系統設計

現航天產品在檢測、維護前常常需要產品出箱、再裝箱 、重新充氮密封。產品使用期間可能會多次經歷裝卸、搬運 、開箱、啟封 、檢查、測試、裝卸、運輸等環節。特別是產品裝箱集中存放后的批次性開箱檢查或檢測， 既費時又費工，不利于產品的勤務快速準備、機動和高效保障的要求。在沿海 、海洋濕熱 、鹽霧地區或風沙等惡劣環境中，這些維護操作會使本已密封包裝好的產品暴露于惡劣環境而縮短服役壽命[5]。

智能系統是一種可以感知或測量環境以及包裝內產品性能的系統，并將信息傳遞給終端用于數據檢測及積累。智能包裝箱通過原有包裝箱的基礎上增加或改進一些包裝箱的結構，增加信息獲取和傳遞單元從而實現智能化的特點。

包裝箱的監控系統為了適應各種運輸方式的監測需要，擬采用全新全程監控方式，即通過電腦系統在汽車駕駛艙或者飛機貨艙內某部位可以直接實現監控功能。這種監控方式更為直觀、便捷、精確，功能也更加細化[6，7]。

結論：

本文智能包裝箱技術集合了先進的傳感測試技術以及信息技術于一體，從模塊化、系列化、節約的理念出發，設計了一種智能型可拆卸式航天儲運包裝箱，使包裝箱不但結構緊湊、強度高、重復使用性好，而且集成了智能監測系統，使包裝箱可滿足航天多種規格的產品及其儲運、儲存等環境需求。為產品的包裝箱設計提供了完整的設計思路，同時也為相關產品的包裝箱設計提供參考。

參考文獻

[1] 張則敏， 劉琪琳.導彈裝備包裝對性能的影響與對策 [J] .裝備環境工程， 2008， 5（4）：74 -78

[2] 嚴君.基于 Optistruct 的碳纖維復合材料包裝箱結構優化設計[J].復合材料，2012，2

[3] 毛壽松.運輸包裝器具設計與使用 [M] .北京：中國商業出版社， 1992

[4] 趙麗娟. 包裝結構設計中尺寸設計的探討[J]. 包裝工程， 2000， 21（4）： 13-14

[5] 張則敏， 劉琪琳.導彈裝備包裝對性能的影響與對策 [J] .裝備環境工程， 2008， 5（4）：74 -78 .

[6] 姚愷， 吳雪艷， 高欣寶， 等.彈藥包裝對保障能力的影響分析研究[ J] .包裝工程，2007，28（3）：112-114.

[7] 張改梅.智能包裝技術及其應用領域[ J].印刷技術，2007，10

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