真空平板玻璃托盤(pán)集裝包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與跌落測(cè)試驗(yàn)證

孫德強(qiáng)，宋雅玲，王力，周聰，郝乾崇，李想，漢小楠

真空平板玻璃托盤(pán)集裝包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與跌落測(cè)試驗(yàn)證

孫德強(qiáng)1*，宋雅玲1，王力2，周聰3，郝乾崇1，李想1，漢小楠1

（1.陜西科技大學(xué) a.輕工科學(xué)與工程學(xué)院 b.輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 c.3S包裝新科技研究所，西安 710021；2.隆基綠能科技股份有限公司，西安 710016；3.隆基綠能科技股份有限公司西安分公司，西安 710016）

對(duì)真空平板玻璃進(jìn)行托盤(pán)集裝包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行跌落仿真測(cè)試，驗(yàn)證包裝方案的可靠性。提出運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)五步法。第1步產(chǎn)品及流通環(huán)境調(diào)研，得到相關(guān)信息；第2步包裝方案設(shè)計(jì)及建模，選用瓦楞紙板、膠合板、EVA泡沫和捆扎帶等包裝材料，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，建立各跌落工況下的幾何模型；第3步有限元模型建立，對(duì)各包材選用合適的材料模型，并利用試驗(yàn)測(cè)得相關(guān)性能參數(shù)，在所建幾何模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行接觸設(shè)置、網(wǎng)格劃分和載荷設(shè)置；第4步有限元模型可靠性驗(yàn)證，對(duì)模型進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)和相應(yīng)仿真測(cè)試，兩者結(jié)果對(duì)比分析；第5步多工況下仿真測(cè)試，涉及跌落、沖擊、振動(dòng)等。展示最具代表性的角、面和棱跌落仿真測(cè)試與相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，最大誤差小于10%，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。進(jìn)一步展示了跌落下各塊玻璃的響應(yīng)加速度，其中峰值加速度遠(yuǎn)小于真空平板玻璃脆值所允許的加速度，滿足防護(hù)要求。基于上述運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)五步法，所提出的包裝方案滿足跌落防護(hù)要求，也證實(shí)了基于該五步法進(jìn)行包裝防護(hù)設(shè)計(jì)的可行性。

運(yùn)輸包裝；五步法；真空平板玻璃；托盤(pán)集裝；包裝設(shè)計(jì)；仿真測(cè)試；跌落

對(duì)外貿(mào)易促進(jìn)了物流和包裝行業(yè)的快速發(fā)展。包裝作為產(chǎn)品流通所需的重要一環(huán)，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的破損率，從而影響產(chǎn)品的整體成本，因此合理的包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要。而設(shè)計(jì)方法作為包裝設(shè)計(jì)的依據(jù)，直接決定了包裝設(shè)計(jì)方案的可靠性。現(xiàn)有運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)主要圍繞緩沖設(shè)計(jì)展開(kāi)，被廣泛使用的是由美國(guó)Lansmont公司提出的緩沖包裝設(shè)計(jì)六步法，彭國(guó)勛[1]對(duì)其進(jìn)行了詳解。基于此方法郭國(guó)慶等[2]提出了一種緩沖包裝設(shè)計(jì)方法，用于計(jì)算產(chǎn)品的最佳緩沖尺寸，使得包裝材料用量最省，避免過(guò)度包裝。An等[3]還提出了一種基于可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化（RBDO）的新方法，并將其應(yīng)用于具有高度非線性系統(tǒng)的緩沖包裝設(shè)計(jì)，以確定材料的最佳厚度。劉夢(mèng)真[4]提出一種“組合材料+緩沖結(jié)構(gòu)”的包裝設(shè)計(jì)方法，以多材料組合替代單一緩沖材料，并構(gòu)建一個(gè)包裝輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，進(jìn)一步提升包裝設(shè)計(jì)效率。基于某種已有緩沖包裝設(shè)計(jì)方法，段振坤[5]開(kāi)展了投影機(jī)的包裝設(shè)計(jì)；郭國(guó)慶等[6]針對(duì)電器進(jìn)行了緩沖包裝設(shè)計(jì)，并進(jìn)行跌落試驗(yàn)。上述方法可針對(duì)某一產(chǎn)品進(jìn)行緩沖設(shè)計(jì)，但對(duì)產(chǎn)品集裝包裝設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，尚需進(jìn)行改造。

對(duì)包裝方案合理可行性的驗(yàn)證來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行大量的包裝件測(cè)試試驗(yàn)，需要制作實(shí)物包裝件樣品，試驗(yàn)中產(chǎn)品損傷會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失[7]。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真測(cè)試技術(shù)已廣泛應(yīng)用在各行業(yè)，可提供豐富計(jì)算結(jié)果，大大降低經(jīng)濟(jì)損失。常江[8]對(duì)打印機(jī)進(jìn)行緩沖包裝設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元分析；沈姣等[9]利用ANSYS對(duì)智能手機(jī)進(jìn)行緩沖包裝優(yōu)化設(shè)計(jì)；馬瑞博等[10]對(duì)電暖器的包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和一系列仿真測(cè)試。以上研究證明了計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在包裝測(cè)試上的可行性，然而它們都未驗(yàn)證包裝系統(tǒng)仿真測(cè)試模型的可靠性。在這種情況下，提出一套合理的包裝設(shè)計(jì)與仿真測(cè)試方法是十分必要的。

真空平板玻璃是將2片平板玻璃四周密封，將其縫隙抽成真空（氣壓低至0.1 Pa），合并成為一塊玻璃。由于其良好的透視性、透光性和保溫性能，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。真空平板玻璃的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，是典型的脆性材料；其脆值低，在運(yùn)輸過(guò)程承受振動(dòng)沖擊時(shí)若包裝不善則十分容易發(fā)生破損，從而帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失[11]，因此為其進(jìn)行可靠的包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得尤為重要。本文提出一種產(chǎn)品通用的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)五步法，以真空平板玻璃為例，為其設(shè)計(jì)一種托盤(pán)集裝包裝系統(tǒng)，對(duì)該包裝系統(tǒng)進(jìn)行不同跌落條件下的試驗(yàn)及相應(yīng)的仿真測(cè)試，驗(yàn)證有限元模型的可靠性，并證明利用該五步法進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)的可行性驗(yàn)證。

1 運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)五步法簡(jiǎn)介

基于現(xiàn)有方法并結(jié)合前人研究，本文提出一種設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)地涵蓋了包裝設(shè)計(jì)到測(cè)試的全流程。如圖1所示，運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)五步法包括以下步驟：產(chǎn)品及流通環(huán)境調(diào)研、包裝方案設(shè)計(jì)及建模、有限元模型的建立、有限元模型可靠性驗(yàn)證、多工況下仿真測(cè)試。

圖1 運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)五步法流程

1）產(chǎn)品及流通環(huán)境調(diào)研。針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全方位調(diào)研，收集產(chǎn)品各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及流通過(guò)程中的跌落、振動(dòng)等路況數(shù)據(jù)，為后續(xù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2）包裝方案設(shè)計(jì)及建模。選取合適的材料進(jìn)行整體包裝方案設(shè)計(jì)，并利用相關(guān)軟件進(jìn)行三維建模。

3）有限元模型的建立。在有限元軟件中，為各材料選用合適的材料模型，通過(guò)物理試驗(yàn)測(cè)試材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)行接觸設(shè)置、網(wǎng)格劃分、載荷的施加等操作。

4）有限元模型可靠性驗(yàn)證。制作包裝系統(tǒng)實(shí)物模型，進(jìn)行某些特定工況下的實(shí)際試驗(yàn)及仿真測(cè)試，通過(guò)二者結(jié)果對(duì)比來(lái)驗(yàn)證有限元模型的可靠性。

5）多工況下仿真測(cè)試。對(duì)包裝系統(tǒng)進(jìn)行一系列靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，涉及堆碼、隨機(jī)振動(dòng)、諧響應(yīng)、跌落、沖擊等載荷工況。

2 包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 產(chǎn)品及流通環(huán)境分析

包裝對(duì)象為多片真空平板玻璃，單個(gè)集合包裝容裝30塊真空平板玻璃。玻璃的形狀為規(guī)整的長(zhǎng)片狀，大小為2 150 mm×680 mm×6 mm，脆值為14.5～21.5，其他基本性能參數(shù)見(jiàn)表1[12]。其邊角有一定的鋒利度，在運(yùn)輸過(guò)程中各片間應(yīng)分開(kāi)避免相互碰撞和劃傷。

表1 真空平板玻璃基本性能參數(shù)

Tab.1 Basic mechanical parameters of vacuum flat glass sheet

本真空平板玻璃托盤(pán)集裝包裝件的質(zhì)量和體積較大，多采用公路運(yùn)輸，本研究將采用公路運(yùn)輸?shù)母鞣N載荷條件對(duì)包裝系統(tǒng)進(jìn)行跌落試驗(yàn)和仿真測(cè)試。該流通過(guò)程中易受跌落、振動(dòng)、沖擊等多種載荷的作用，其中跌落破損發(fā)生概率最高，對(duì)產(chǎn)品損害最大[13]，因此本研究著重該包裝件的虛擬跌落測(cè)試。

2.2 整體包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該步驟針對(duì)產(chǎn)品防護(hù)包裝需求進(jìn)行包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括各緩沖部件的數(shù)量、尺寸和位置。玻璃產(chǎn)品的傳統(tǒng)包裝方式一般使用緩沖材料對(duì)玻璃單獨(dú)包裝，整體再用木箱封裝，其操作繁瑣，且無(wú)法保證玻璃間不發(fā)生碰撞，包裝系統(tǒng)的保護(hù)性能有待提高。按照玻璃的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有的包裝方案，對(duì)其不足之處進(jìn)行改進(jìn)，最終得到的托盤(pán)集裝系統(tǒng)如下。

本設(shè)計(jì)的真空平板玻璃托盤(pán)集裝系統(tǒng)，采用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、捆扎帶、膠合板、瓦楞紙板等包裝材料，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。托盤(pán)使用膠合板制作，膠合板價(jià)格低且制作工藝簡(jiǎn)單，具有良好的抗彎抗壓性能。托盤(pán)是由面鋪板、上拉條、腳墩、下拉條、托盤(pán)支架、梯形框架以及固定在其上面的各EVA墊條和卡槽組成。起防護(hù)作用的部件是與真空平板玻璃直接接觸的各EVA墊片和卡槽，利用EVA卡槽實(shí)現(xiàn)各片玻璃間的隔離。EVA材料具有一定的柔韌性，良好的緩沖、隔震和耐磨性，是一種對(duì)人體無(wú)害的環(huán)保材料，可有效達(dá)到產(chǎn)品的緩沖需求。

圖2 真空平板玻璃包裝系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

本方案的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。外包裝箱使用五層瓦楞紙箱，分為側(cè)面圍板和上蓋兩部分。相比傳統(tǒng)木箱，瓦楞紙箱價(jià)格低、易打包且綠色環(huán)保。紙箱內(nèi)外部使用捆扎帶進(jìn)行打包，選用拉伸強(qiáng)度足夠的捆扎帶，確保運(yùn)輸過(guò)程中包裝件緊固。本方案就使用的材料而言，具有綠色環(huán)保性，且相較于傳統(tǒng)的實(shí)木包裝，各材料的價(jià)格更加低廉，減少了包裝成本；就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，在保證產(chǎn)品分隔的同時(shí)增大了單個(gè)包裝件的產(chǎn)品容裝率，從而降低產(chǎn)品的運(yùn)輸成本，且本方案增強(qiáng)了包裝系統(tǒng)橫向和縱向的緊固性，進(jìn)一步降低產(chǎn)品破損的可能性。

圖3 真空平板玻璃包裝系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)

3 有限元模型的建立

3.1 材料模型及參數(shù)

針對(duì)本包裝系統(tǒng)所用瓦楞紙板、膠合板、EVA和捆扎帶等材料，按相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，得到所需的材料模型參數(shù)。

由于瓦楞紙板和膠合板存在明顯不同力學(xué)性能的3個(gè)方向，因此采用正交各向異性材料模型。參考GB/T 6544—2008和GB/7 6544—2021對(duì)瓦楞紙板進(jìn)行邊壓強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度試驗(yàn)，參考GB/T 9846—2015和GB/T 17657—2022對(duì)膠合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，再參照相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]的力學(xué)參數(shù)及其計(jì)算方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得出2種材料的各項(xiàng)性能如表2所示。

在此系統(tǒng)中，捆扎帶僅沿縱向受力，其和EVA均視為各向同性材料，參考GB/T 1040.1—2018和GB/T 1040.3—2006對(duì)捆扎帶進(jìn)行拉伸和斷裂強(qiáng)度等測(cè)試，參考GB/T 8813—2020對(duì)EVA進(jìn)行壓縮性能測(cè)試，再參照相關(guān)文獻(xiàn)[16]中力學(xué)參數(shù)及數(shù)據(jù)處理方法，得到以上2種材料的性能數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2 接觸的設(shè)置

根據(jù)真空平板玻璃在運(yùn)輸中的實(shí)際情況，并考慮到求解時(shí)間，所有接觸的設(shè)置分為固連（Bonded）或摩擦（Frictional）。未與光伏組件接觸部分設(shè)置為固連，而接觸部分設(shè)置為摩擦。使用摩擦因數(shù)儀測(cè)量各材料之間的摩擦參數(shù)，并在所有摩擦接觸間設(shè)置相應(yīng)的靜動(dòng)摩擦因數(shù)。

3.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模型前處理的一個(gè)重要步驟，網(wǎng)格劃分的方法、網(wǎng)格大小與質(zhì)量等，直接決定了計(jì)算機(jī)求解的速度和精確度[17-18]。將模型導(dǎo)入Ansys Workbench中顯示模型共有94個(gè)零件，2 104個(gè)接觸面。使用MultiZone方式進(jìn)行劃分，將整體結(jié)構(gòu)劃分為兩部分，與真空平板玻璃接觸的各緩沖結(jié)構(gòu)，采用更細(xì)的網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為1 mm；而非直接接觸的其他部件劃分略粗，單元尺寸設(shè)置為3 mm，以提升計(jì)算的效率。

4 有限元模型可靠性驗(yàn)證

本步驟通過(guò)對(duì)真空玻璃集裝包裝系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的跌落試驗(yàn)和仿真測(cè)試，將兩者數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)驗(yàn)證有限元仿真模型的可靠性。

4.1 跌落實(shí)際試驗(yàn)

按照GB/T 5398—2016《大型運(yùn)輸包裝件試驗(yàn)方法》、GB/T 4857.5—1992和國(guó)際安全運(yùn)輸協(xié)會(huì)ISTA—1A標(biāo)準(zhǔn)，將跌落分為面、棱、角3種跌落方式，試驗(yàn)將選擇較嚴(yán)苛的載荷條件進(jìn)行[19-20]。使用大型起吊設(shè)備對(duì)該包裝系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的跌落試驗(yàn)，起吊機(jī)抬起包裝件的一端，模擬跌落的高度。根據(jù)GB/T 4857.5—1992，面、棱和角跌落的姿態(tài)如圖4所示，參照標(biāo)準(zhǔn)所選擇的跌落高度如表4所示。

實(shí)際試驗(yàn)使用Lansmont Test Partner 3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集包裝系統(tǒng)整體跌落的數(shù)據(jù)，被采集的真空平板玻璃是最中間的一塊，因?yàn)橹虚g的玻璃受力更加集中，傳感器安裝在該塊玻璃靠近跌落端的中間邊緣位置。實(shí)際測(cè)試觀察到，3種跌落狀態(tài)下產(chǎn)品都未產(chǎn)生破損。

表2 瓦楞紙板及膠合板材料模型參數(shù)值

Tab.2 Parameters of corrugated board and plywood material models

表3 其他材料模型參數(shù)值

Tab.3 Parameters of other material models

圖4 面、棱和角跌落3種跌落工況示意圖

4.2 跌落仿真測(cè)試

在前述真空平板玻璃包裝系統(tǒng)三維建模的基礎(chǔ)上，針對(duì)3種跌落載荷工況分別加上用于支撐的剛性地面、平墊塊和斜墊塊，隨后在Ansys Workbench中對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。包裝件抬起端的高度根據(jù)相應(yīng)實(shí)際跌落試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定，對(duì)整體模型施加重力載荷，并將所有剛性地面和墊塊固定。設(shè)置計(jì)算求解時(shí)間為0.35 s，時(shí)間安全系數(shù)設(shè)置為0.5，開(kāi)啟“Automatic mass scaling”，輸出積分時(shí)間點(diǎn)個(gè)數(shù)為500。而后輸出計(jì)算模型的K文件，調(diào)用Ls-Dyna進(jìn)行求解，使用LS-PREPOSTD軟件進(jìn)行求解前關(guān)鍵字的設(shè)置和計(jì)算結(jié)果的讀取，可以得到跌落過(guò)程中的動(dòng)畫(huà)以及加速度曲線[21-22]。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將面跌落、棱跌落和角跌落的實(shí)際試驗(yàn)和仿真測(cè)試的結(jié)果分別進(jìn)行對(duì)比，提取數(shù)據(jù)并繪制圖像，最終結(jié)果如圖5所示。

由圖5的曲線可見(jiàn)，3種跌落方式下試驗(yàn)和仿真測(cè)試所獲得的加速度曲線形態(tài)相一致，僅峰值加速度稍有差別。面跌落試驗(yàn)測(cè)得的加速度峰值為44.63，仿真測(cè)試得到的為41.37；棱跌落試驗(yàn)加速度峰值為52.31，仿真測(cè)試得到的值為47.68；角跌落試驗(yàn)加速度峰值為76.42，仿真測(cè)試得的值為69.63。

3種工況下，試驗(yàn)和仿真測(cè)試值的誤差分別為7.30%、8.85%和8.89%。經(jīng)過(guò)分析，產(chǎn)生誤差的可能原因有以下幾方面：

1）模型誤差。有限元模型是基于一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化后建立的，三維模型的形狀、網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度、摩擦因數(shù)的設(shè)置等條件都會(huì)導(dǎo)致最終測(cè)試結(jié)果不同。

2）參數(shù)誤差。仿真測(cè)試的結(jié)果取決于輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，如果輸入?yún)?shù)不準(zhǔn)確或不完整，就有可能導(dǎo)致最終結(jié)果產(chǎn)生誤差，如對(duì)材料特性、外部環(huán)境因素的估計(jì)誤差等。

3）不確定性。實(shí)際系統(tǒng)中存在一些不確定性，例如實(shí)際試驗(yàn)的環(huán)境條件等，這些不確定性無(wú)法完全考慮到模型中，從而導(dǎo)致結(jié)果存在誤差。

由于誤差在允許的范圍內(nèi)，由此可以判定該有限元模型是可靠的。

5 仿真測(cè)試結(jié)果分析

基于該可靠的有限元模型，改變載荷工況部分，可對(duì)該集合包裝系統(tǒng)進(jìn)行更多工況下的仿真測(cè)試，例如水平?jīng)_擊、斜面沖擊、模態(tài)、諧響應(yīng)、隨機(jī)振動(dòng)等仿真測(cè)試分析。限于篇幅，本文僅展示對(duì)包裝系統(tǒng)危害最大的跌落測(cè)試分析的結(jié)果。除了上節(jié)展示的加速度曲線外，圖6、7和8分別展示了面、棱和角跌落過(guò)程中不同時(shí)刻包裝件的跌落位移圖，其中為時(shí)間。通過(guò)圖6～8可以觀察到包裝系統(tǒng)在一些典型時(shí)刻的位移變形狀態(tài)，該圖也體現(xiàn)了仿真測(cè)試具有可視性的優(yōu)勢(shì)。

表4 各跌落實(shí)際試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)值

Tab.4 Strength parameter values of each physical drop test

圖5 面、棱和角跌落工況下實(shí)驗(yàn)與仿真測(cè)試結(jié)果的加速度-時(shí)間曲線對(duì)比

圖6 面跌落過(guò)程

圖7 棱跌落過(guò)程

圖8 角跌落過(guò)程

由2.1節(jié)的產(chǎn)品分析可知，各種類玻璃的脆值在14.5～21.5，即玻璃能承受的最大加速度為145～215 m/s2。選擇最低值145 m/s2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，則真空玻璃的脆值不低于14.5。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下的試驗(yàn)結(jié)果顯示3種跌落工況下最大加速度分別為44.63、52.31、76.42 m/s2，均小于145 m/s2，且在試驗(yàn)過(guò)程中未有產(chǎn)品破損。因此，可斷定該包裝系統(tǒng)滿足跌落性能防護(hù)要求，該包裝系統(tǒng)是可靠的。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種產(chǎn)品通用的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)五步法，以真空平板玻璃為實(shí)例，為其設(shè)計(jì)一種托盤(pán)集裝包裝系統(tǒng)，并進(jìn)行跌落測(cè)試驗(yàn)證了包裝系統(tǒng)的可靠性。具體完成的工作如下：

1）提出了新的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)方法。該方法在已有設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上增加了包裝系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證，完善了包裝設(shè)計(jì)流程，大大減少包裝測(cè)試所需的人力物力，進(jìn)一步降低包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。

2）提出一種真空平板玻璃的托盤(pán)集裝包裝系統(tǒng)方案。采用EVA、膠合板、瓦楞紙板等材料，可以容裝30塊玻璃，大大提升了容裝率，且用材符合綠色環(huán)保、可回收的低碳理念。

3）對(duì)真空平板玻璃托盤(pán)集裝包裝系統(tǒng)進(jìn)行跌落試驗(yàn)及仿真測(cè)試，驗(yàn)證了該包裝系統(tǒng)有限元模型的可靠性，證明了該包裝系統(tǒng)滿足跌落防護(hù)要求。

[1] 彭國(guó)勛. 物流運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)[M]. 北京: 印刷工業(yè)出版社, 2006.

PENG G X. Logistics Transportation Packaging Design[M]. Beijing: Printing Industry Press, 2006.

[2] 郭國(guó)慶, 李慶詩(shī), 張志宇, 等. 一種緩沖包裝的設(shè)計(jì)方法: 中國(guó), 113420451A[P]. 2021-09-21.

GUO G Q, LI Q S, ZHANG Z Y, et al. Design Method of Cushion Package: China, 113420451A[P]. 2021-09-21.

[3] AN X, HUANG B, SHI D. A Novel Reliability Index Approach and Applied It to Cushioning Packaging Design[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2022, 14(11): 1-10.

[4] 劉夢(mèng)真. “組合材料+緩沖結(jié)構(gòu)”的包裝設(shè)計(jì)方法研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2021.

LIU M Z. Research on Packaging Design Method of Composite Material Buffer Structure[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2021.

[5] 段振坤. 一種投影機(jī)的包裝設(shè)計(jì)方法: 中國(guó), 107054878A[P]. 2017-08-18.

DUAN Z K. Projector Package Design Method: China, 107054878A[P]. 2017-08-18.

[6] 郭國(guó)慶, 李慶詩(shī), 劉煒. 繼電器緩沖包裝跌落試驗(yàn)與設(shè)計(jì)方法[J]. 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù), 2022, 19(5): 104-108.

GUO G Q, LI Q S, LIU W. Cushion Packaging Drop Test and Design Method of Relay[J]. Railway Signalling & Communication Engineering, 2022, 19(5): 104-108.

[7] JINGSHI M , STUART T D, ABHIJIT D. MEMS Packaging Reliability in Board-Level Drop Tests Under Severe Shock and Impact Loading Conditions-Part I: Experiment[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2016, 6(11): 1595-1603.

[8] 常江. 打印機(jī)緩沖包裝設(shè)計(jì)及力學(xué)性能仿真分析[J]. 包裝學(xué)報(bào), 2021, 13(5): 60-67.

CHANG J. Cushioning Packaging Design and Mechanical Property Simulation Analysis of Printer[J]. Packaging Journal, 2021, 13(5): 60-67.

[9] 沈姣, 汪軍, 王剛, 等. 基于ANSYS的智能手機(jī)緩沖包裝優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2023(1): 97-99.

SHEN J, WANG J, WANG G, et al. Optimized Design of Smartphone Buffer Packaging Based on ANSYS[J]. Mechanical Engineering & Automation, 2023(1): 97-99.

[10] 馬瑞博, 李燕華, 牛美亮, 等. 電暖器包裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 包裝工程, 2021, 42(5): 148-156.

MA R B, LI Y H, NIU M L, et al. Simulation Analysis and Test Verification of Packaging Structure Optimization of Electric Heater[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(5): 148-156.

[11] MIAO H, ZUO D, ZHANG R. Effect of Surface Topography on Stress Distribution of Vacuum Plate Glass for Different Aluminum Alloy Braced Pillars[J]. Key Engineering Materials, 2019(407/408): 705-709.

[12] 繆宏, 奚小波, 左敦穩(wěn), 等. 真空平板玻璃動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2014, 17(1): 153-158.

MIAO H, XI X B, ZUO D W, et al. Numerical Calculation and Experimental Research on Dynamic Response of Vacuum Plate Glass[J]. Journal of Building Materials, 2014, 17(1): 153-158.

[13] 李昭, 劉夢(mèng), 孫建明, 等. 真空玻璃包裝箱設(shè)計(jì)及振動(dòng)仿真分析[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2020, 38(6): 56-60.

LI Z, LIU M, SUN J M, et al. Design and Vibration Simulation Analysis of Vacuum Glass Packaging Box[J]. Packaging and Food Machinery, 2020, 38(6): 56-60.

[14] BEKHTA P, PIZZI A, KUSNIAK I, et al. A Comparative Study of Several Properties of Plywood Bonded with Virgin and Recycled LDPE Films[J]. Materials, 2022, 15(14): 1-15.

[15] WANG Z W, SUN Y C. Experimental Investigation on Bending Fatigue Failure of Corrugated Paperboard[J]. Packaging Technology and Science, 2018, 31(9): 601-609.

[16] LAGODA K, KUREK A, LAGODA T, et al. Cracking of Thick-walled Fiber Composites During Bending Tests[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2019(101): 46-52.

[17] YANG X, WEI-SHENG S, HONG-TAO M, JING W, YU L. Parametric Design and Multi-Objective Optimization of LCD Packaging Cushion Foams[J]. Shock and Vibration, 2022, 2022: 1-15.

[18] LEE M H, PARK J M. Flexural Stiffness of Selected Corrugated Structures[J]. Packaging Technology and Science, 2004, 17(5): 275-286.

[19] PASA Y, MEHMET F T. Failure Analysis of a Drop Tested Wall-Mounted Air Conditioner Indoor Unit: Simulation and Experimental Analysis[J]. GAZI University Journal Of Science, 2020, 33(4): 843-855.

[20] CIGDEM D, SECKIN A M. The Effect of Simulated Vibration Frequency on The Physico-mechanical and Physicochemical Properties of Peach During Transportation[J]. LWT-Food Science and Technology, 2021(137): 1-9.

[21] XUEFENG P, JIANBO Z, YETAO L, et al. Simulation Analysis and Experimental Study on Impact Fall Test of Forklift Overhead Guard[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2022, 62(1): 13-20.

[22] YAPING Z. Vibration Mode Analysis of ANSYS WORKBENCH-Based Garden Blower Impeller[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2021(1802): 1-7.

Design and Drop Tests of the Pallet Unit Load Packaging System for Vacuum Flat Glass Sheets

SUN Deqiang1*,SONG Yaling1,WANG Li2,ZHOU Cong3,HAO Qianchong1,LI Xiang1,HAN Xiaonan1

(1. a. College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, b. National Demonstration Center for Experimental Light Chemistry Engineering Education, c. 3S Research Institute of Novel Packaging Science and Technology, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China; 2. Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Xi'an 710026, China; 3. Xi'an Branch of Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Xi'an 710026, China)

The work aims to design the pallet unit load packaging system of vacuum flat glass sheets and conduct the drop simulation test to verify the reliability of the packaging system. A five-step method of transport packaging design was proposed and employed. The first step involved researching and gathering the relevant information of product and distribution environment. For the second step, the packaging solution was designed and modeled. With packaging materials such as corrugated fiberboard, plywood, ethyl vinyl acetate (EVA) foam, and strapping tape, 3D modeling was carried out by SolidWorks to establish the geometric models under various drop conditions. The third step was to establish finite element models. A suitable material model was selected for each packaging material, and the relevant performance parameters measured by experiments were used to conduct contact setting, meshing and load setting on the established geometric models The fourth step was to verify the reliability of the finite element models by conducting physical experiments and simulation tests, and comparing the results. The fifth step involved simulation tests under various working conditions, including drop, impact and vibration. The results of corner, flat and edge drop simulations were compared with the corresponding experimental results, with the maximum error smaller than 10%, which verified the reliability of the finite element models. The acceleration-time response curves of all glass sheets were obtained where peak acceleration was lower than the allowable one determined by the fragility of flat glass sheet, meeting the protective requirements. Based on the five-step method of transport packaging design mentioned above, the proposed packaging solution meets the protective requirements, which verifies the feasibility of the five-step method.

transport packaging; five-step method; vacuum flat glass sheets; pallet unit load; packaging design; simulation testing; drop

TB482.2；TB485.3

A

1001-3563(2024)07-0274-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.034

2024-01-04

國(guó)家自然科學(xué)基金（51575327）；國(guó)家級(jí)一流專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（包裝工程2022）；陜西科技大學(xué)課程思政建設(shè)項(xiàng)目（包裝技術(shù)基礎(chǔ)（雙語(yǔ)）2022）

通信作者