探討結構變化對EPS緩沖包裝緩沖性能的影響

■ 文/珠海格力電器股份有限公司 程海瑞，金昊鵬，湯志平

0 引 言

包裝是在貨物運輸及流通過程中為保護產品、方便儲運、促進銷售并按一定技術方法而采用容器、材料及輔助物等一系列技術措施的總稱。一件商品從生產到消費者購買往往會經歷復雜的運輸過程。為了保障產品在運輸過程中不受破壞，廠家們紛紛為產品設計了對應的包裝，這種包裝稱之為運輸包裝。

產品在流通過程中，其受損主要出現在裝卸、運輸和儲運三個環節。在流通過程中有一定概率會發生產品跌落現象，此時產品受到的沖擊力一般是產品在整個過程中受到的最大沖擊力。因此，運輸包裝在設計時主要研究的是如何降低跌落時產品受到的沖擊力

目前，市面上常見的運輸包裝材料有塑料、木材、紙、聚苯乙烯泡沫（EPS）、珍珠棉（EPE）等，其中EPS因性能良好、價格低廉，被廣泛應用在各種產品的包裝上。其緩沖機理是通過材料內封閉的小氣泡以壓縮變形的方式吸收外界的沖擊載荷。因其緩沖機理，設計者大多忽視了其結構對EPS緩沖性能的影響。目前EPS緩沖件的緩沖面多為平面結構，而平面結構到底是不是最優的設計方案呢？本文將通過CAE軟件測試不同結構的緩沖面對EPS緩沖包裝力學性能的影響，并以實例分析探索其對整個運輸過程帶來的影響，為包裝設計提供理論依據。

1 研究方法及目標

1.1 選取某款產品的緩沖泡沫，調整其最大緩沖面的結構，保障除調整緩沖面結構外，其他結構均保持不變，緩沖結構調整后，緩沖件最厚處保持一致。

1.2 通過LS-DYNA軟件測試，僅緩沖面結構有所不同，其他條件相同下的緩沖泡沫的堆碼、跌落場景下的力學性能，比較力學性能差異。

1.3 通過ANSYS靜力學板塊，測試相同壓力下不同結構緩沖件的變形量，判定不同結構緩沖件的堆碼性能。

1.4 測量其在不同結構下的體積大小，探究其采購及對后續產品運輸成本的影響。

EPS緩沖件為模具成型，因而異型結構在生產工藝方面不會遇見瓶頸。本文將以平面、球面、棱臺面、棱臺和球體混合面四種不同的結構面作為具體研究對象，其中平面為珠海格力電器股份有限公司現有設計方案。研究具體對象如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 平面緩沖面

圖2 球面緩沖面

圖3 棱臺緩沖面

圖4 混合緩沖面

2 性能影響分析

2.1 不同結構的緩沖性能分析

通過LS-DYNA軟件對4種緩沖包裝進行跌落仿真分析，通過獲取其內裝物的最大加速度以及整個跌落過程中的能量變化，分析結構對EPS緩沖性能的影響。

上述4種研究對象均是在某款空調內機包裝衍生出來的，對其結構的改進方式已在上文提及，僅對其底面結構進行改變，未改變其內腔結構，因此其內裝物可保持一致。如圖5所示，為仿真對象簡化后的三維模型。本文主要是探究泡沫的性能，僅需內裝物的質量與原模型的質量保持相同即可。在本次分析中，可通過調節內裝物的密度來控制其質量。

圖5 仿真對象模型

對不同結構進行跌落分析后，結果如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖6 平面結構跌落能量變化圖

圖7 平面結構跌落內裝物加速度變化圖

圖8 球面結構跌落能量變化圖

圖9 球面結構跌落內裝物加速度變化圖

圖10 棱臺面結構跌落能量變化圖

圖11 棱臺面結構跌落內裝物加速度變化圖

圖12 混合面結構跌落能量變化圖

圖13 混合面結構跌落內裝物加速度變化圖

通過整理上述加速度折線圖數據，可獲取不同結構下內裝物的最大加速度，如表1所示。

表1 不同結構緩沖面下內裝物最大加速度值

在包裝運輸學中，判定產品跌落后損壞的一種方式是通過脆值來進行判定，也就是將產品跌落后的最大加速度與產品許用脆值進行比較。通過式（1）可知，若最大加速度小于產品許用脆值，則可判定此包裝設計合理，能夠實現保護產品不被破壞的目的。

其中：Gm為產品跌落最大加速度；Gc為產品脆值；n為產品許用系數，n≥1。

通過對比分析可知，圓球形結構內裝物最大加速度最小，可認為此種結構緩沖性能在四種結構中最好，其次是平面結構。

2.2 不同結構的堆碼性能分析

按照國標分別在不同結構緩沖泡沫上施加相同的力，通過比較其變形量來獲取其堆碼能力。四種結構下其堆碼結果如圖14、圖15、圖16、圖17所示。

圖14 平面結構堆碼分析圖

圖15 球面結構堆碼分析圖

圖16 棱臺結構堆碼分析圖

圖17 混合結構堆碼分析圖

通過以上4種不同結構的堆碼分析，可得出以下數據（見表2）。通過分析表中數據，發現4種結構的緩沖泡沫堆碼能力大致相同。

表2 不同結構堆碼變形量

3 成本影響探究

通過分析可看出，緩沖面的不同結構對EPS緩沖件的緩沖性能具有顯著影響，對緩沖件的堆碼能力影響較小。本文研究的幾種結構中，EPS緩沖件整體性能以半球面結構最為優異。

從經濟方面分析：如表3所示，通過比較產品整體體積，發現我司現有結構的體積最大，由于本次分析四種不同結構泡沫的密度一致，因此通過公式（2）。

其中：p為密度，單位g/cm3；v為體積，單位cm3；m為質量，單位g。

可知平面方案的質量最大，由于泡沫成本是以質量計算價格，因此平面方案的采購成本最高，半球形結構最低。半球形結構的緩沖性能和成本均優于常用的平面緩沖結構。

表3 不同結構緩沖泡沫體積參數

4 結 語

本文以其他條件相同，緩沖面結構不同的某款緩沖件為研究對象，首先明確研究目標以及研究方法，其次通過LS-DYNA等CAE軟件對不同結構的緩沖件進行分析，獲取產品跌落高度相同時不同結構內裝物的整體最大加速大以及不同結構緩沖件在相同作用力下的變形量。

通過比較不同內裝物的整體加速度，計算判定不同結構緩沖件的緩沖優劣性；通過比較不同結構緩沖件的變形量，判定不同結構緩沖件的堆碼性能。通過分析表明：不同結構的緩沖面對緩沖件的緩沖能力有較大影響；在上述四種結構中以半球形緩沖結構的緩沖性能最為優異，且其采購成本最低；合理的緩沖結構不僅能提高緩沖件的緩沖性能，還能降低采購成本以及后續的運輸成本。