基于路谱分析的缓冲包装仿真方法

基于路谱分析的缓冲包装仿真方法

曹梅丽，张永林

(武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430023)

摘要：为了更真实地模拟缓冲包装系统在物流过程中的动态响应，研究一种基于路谱分析的缓冲包装仿真方法。将国家等级公路的功率谱数据、中国典型道路的路谱数据作为输入，在仿真软件里进行货车动态仿真，得到货车车厢底板加速度数据，将这个数据作为缓冲包装系统的激振源，进行缓冲隔震仿真。该方法能够真正意义上模拟缓冲包装系统在真实物流环境下的动态响应，校核缓冲包装系统的缓冲性能。

关键词：路谱；缓冲包装；仿真

收稿日期：2015-03-10.

作者简介：曹梅丽(1980-)，女，副教授,E-mail:105414945@qq.com.

文章编号：2095-7386(2015)03-0057-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.03.012

中图分类号：TB 485

Method on simulation for cushioning packaging

based on road spectra analysis

CAOMei-li,ZHANGYong-lin

(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023,China)

Abstract：To simulate the dynamic response of the cushion packaging system under the logistics environment actually, a method on simulation for the cushioning packaging system based on road spectra analysis was developed. The road power spectral data of the national classified highways and the typical roads in China were conducted as input of the dynamic simulation for a truck in simulation software, and the acceleration data of the boxcar’s baseboard can be gotten, which is the excitation sources of the simulation for the cushioning packaging system. The response of the acceleration of each kind of truck on every classified highway and typical road in China comprises the database of the logistics environment.The method can simulate the cushioning packaging system in the real logistics environment actually , and provide a new test method for the cushioning packaging.

Key words：road spectrum; cushion packaging; simulation

1引言

汽车平顺性指：保持汽车在行驶过程中乘员在振动环境中具有一定舒适性的性能，对货车而言，还包括保证货物完好的能力[1]。车辆工程领域着重研究乘用车(小轿车)的路面输入、悬架系统对乘员舒适性的影响，少见对商用车(货车)货物完好性的研究。而货物完好性的研究只在包装工程领域得到充分研究，但基于冲击试验，理论依据是脆值理论或易损度，偏向于货物本身性能和包装材料缓冲特性的研究，未将货物完好性置于路面环境中进行研究。

基于上述原因，笔者将汽车领域的平顺性要求与包装工程领域的缓冲包装结合起来，提出了一种基于路谱分析的缓冲包装仿真方法。该方法能够真实模拟物流过程中的路况对缓冲包装系统的动态响应，校核缓冲包装系统的缓冲隔震性能。

2汽车平顺性评价方法

汽车平顺性国内外研究较多，且有多种评价方法[2-4]。车辆的平顺性评价方法有主观评价方法和客观评价方法。主观评价由有经验的驾驶员和乘客组成专门小组来完成汽车行驶平顺性的评价，评价可信度随参评人员数量的增加而增加。客观评价方法由测量仪器完成对随机振动数据的采样、记录和数据处理。目前具体的方法有：K 系数法、吸收功率法、1/3倍频带分别方法，总的加速度加权均方根值评价法，加速度加权均方根和等效均值综合法等[5-8]。有关学者对各种方法进行比较研究，发现加速度加权均方根值最直接地反映了汽车平顺性的优劣[9]。

对货物而言，没有不舒适的感觉，评价指标就是失效，即不完好。为保护商品在流通过程中不因受到冲击和振动而失效所进行的包装称为缓冲防振包装，亦称缓冲包装。为了实现合理的缓冲包装，需涉及包装材料、商品流通系统、产品结构、包装结构、缓冲包装材料和试验测试技术等方面，但缓冲包装研究重点在于包装容器的缓冲功能。

3传统的缓冲隔震包装研究方法

1945年美国贝尔实验室的Mindlin和他领导的研究小组把机械振动分析理论应用到历来靠“试探法”或凭经验进行分析和设计的包装领域中来,形成了独特的“缓冲包装理论”[10]。1968年,Newton提出了包装产品破损的边界条件理论,建立了脆性评定定理及其测试方法,并被载入美国材料试验标准(ASTM)[11]。20世纪80年代,美国MTS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5步设计法,后来发展为更完善的缓冲包装设计六步法：(1)确定流通环境条件；(2)产品脆值估计；(3)产品重新设计；(4)衬垫材料的计算；(5)设计包装系统；(6)试验包装系统原形,并给出了每一步骤应贯彻的ASTM标准,从而为缓冲包装设计理论奠定了坚实的基础[12]。

最近一些年，仿真技术在缓冲包装领域得到了广泛应用，该方法通过对被包装对象与包装容器组成的包装系统建模，然后对材料进行定义，施加载荷与约束，分析某缓冲包装下的产品的响应，对缓冲结构进行校核,指导缓冲包装设计[13-15]。该方法可以克服以往将缓冲包装系统作为单自由度、二自由度处理进行理论计算的局限性，但缓冲包装的仿真仍然是建立在冲击试验的基础上，进行的是冲击仿真，少见实际路况振动下的仿真。

4基于路谱分析的缓冲包装仿真方法

要模拟真实物流状态下的缓冲隔震性能，必须将路面信息考虑进去。货物在运输过程中受到强迫振动，这种强迫振动一方面来自汽车发动机的振动，另一部分来自于路面高程的激励。发动机的振动属于高频振动，对货物影响不大，对货物有影响的主要是路面不平度引起的宽频带振动。

基于路谱分析的缓冲设计方法，将路况作为输入，路况一般由路面不平度即道路表面对于理想平面的偏离。路面不平度输入通过货车轮胎和悬架系统到达货车车厢底板，其加速度响应就是缓冲包装设计的激励源。在仿真软件里建立缓冲包装系统模型，将货车车厢底板的加速度响应数据作为输入，即可得到缓冲包装系统的响应，校核缓冲结构，指导缓冲包装设计。

基于路谱分析的缓冲包装法需要将路面不平度数据库、仿真技术结合起来，对计算机应用技术要求较高。

4.1路库数据库的应用

在发达国家，数据库在包装领域的应用已相当普遍,多种高质、高效的集成数据库系统已应用于缓冲包装设计。中国数据库技术在包装行业的开发应用和发达国家差距大, 但也建立了一部分数据库如：流通环境数据库、饮料包装材料数据库、食品包装方法数据库、各国包装设计偏好数据库等，丰富了中国包装专业知识体系。其中流通环境数据库中包括气象条件数据库, 装卸搬运数据库, 运输工具冲击、振动数据库[16]。振动数据库仅列举了水上运输、空运和公路运输的频带范围，未将路面不平度数据库划进来，使振动源数据不够具体真实。国家高技术研究发展计划(863计划)现代交通技术领域汽车开发先进技术项目成立课题组——中国典型汽车道路谱统计测量及应用系统开发，对全国各地的道路谱数据进行了采集、数据处理、数据库建立、路面模型及道路谱重构、专业应用软件编写、验证试验以及标准起草等工作[17]，该项目建成的数据库可以查询到全国各地区路面的路谱信息，这些数据和国家等级公路数据一起可以组成流通环境振动原始数据库。

4.2货车车厢底板的动态仿真

路面不平度作为输入经过轮胎、悬架系统到达货车车厢底板，这个过程可以通过ADAMS/car这一类仿真软件进行仿真试验。ADAMS/car模块里有车辆整车样机模型，在建模过程中，只需根据实际运输工具参数，改变模型变量值，系统就可以自动更新样机模型，得到同结构下的新车型，也可以自己创建全新的整车模型。

车辆的输入可以是力、位移，其形式可以是正弦扫描激励、旋转质量激励或是功率谱密度函数，或者是用户自定义的函数，输出可以是位移、速度、加速度等。

路面数据一般表示成功率谱形式[1]：

(1)

式中,n为空间频率；n0为参考空间频率；Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数；w为频率指数，决定路面功率谱密度的频率结构。按路面功率谱密度的量度把路面不平度分为8级。

4.3货车车厢底板的动态仿真

输入某等级的国家公路的功率谱密度函数，对上述整车模型进行动态仿真，可得到某货车在等该级道路上车厢底板的加速度响应数据。可以输入中国典型道路谱的功率谱密度函数，得到中国各典型道路上某型号货车货车车厢底板加速度。同理改变货车模型，就可以得到市场上典型货车在国家等级公路上或中国典型道路上的车厢底板加速度数据库。

在对缓冲包装系统进行仿真时，不需要对车辆在物流环境中的动态响应进行仿真分析，可直接从上述加速度数据库里导出某车在某路上的车厢底板加速度数据，作为缓冲包装系统的振动源，在ANSYS、ADAMS等仿真软件里进行振动仿真分析，输出产品加速度，进行比较分析，即可对某缓冲结构进行校核、设计。

5结束语

基于路谱分析的缓冲包装结构设计，能够更真实地模拟实际物流状态。此方法工作量大，因此可以将各型号货车车厢底板在各等级公路和中国典型公路上的加速度响应建成数据库供缓冲设计用。后续的缓冲包装设计只需要将该数据库里的加速度数据作为输入进行缓冲仿真设计即可。

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