空气柱衬垫缓冲性能研究

陈梓垠，王玉龙，梁秀

（1.武汉大学，武汉 430079；2.上汽大通汽车有限公司无锡分公司，无锡 214177）

空气柱衬垫缓冲性能研究

陈梓垠1，王玉龙1，梁秀2

（1.武汉大学，武汉 430079；2.上汽大通汽车有限公司无锡分公司，无锡 214177）

目的 对空气柱衬垫的缓冲性能进行分析研究。方法 通过动态压缩试验和应力-能量法得到空气柱衬垫最大加速度-静应力曲线，研究其动态缓冲性及承载力。结果 得到了空气柱衬垫在不同跌落高度不同厚度的动态压缩试验曲线。 结论 材料缓冲性和承载能力均随着厚度增大而加强，跌落高度增大，包装件所受冲击载荷也随之增大。研究结果为进行合理缓冲包装设计提供计算依据。

空气柱衬垫；应力-能量法；动态缓冲性能

Abstract: This paper analyzed mechanical properties for air tube pillow. To explore the performance of cushioning and bearing capacity for air tube pillow, the maximum acceleration - static stress curves of air tube pillow can be acquired by dynamic compression experiments and the stress - energy method. The dynamic compression test curves of air tube pillow at different dropping heights and thicknesses were obtained. Results showed that the performance of cushioning and carrying capacity of air tube pillow increases with the increase of thickness, the impact load of the package increases with the dropping height increasing. And the results can provide computation references to reasonable packaging design and application of products.

Key words: air tube pillow; stress - energy method; dynamic cushion performance

空气衬垫是一种新型绿色缓冲包装材料，由两层塑料薄膜设计成一定宽度的气室后，利用逆止阀将压缩空气注入腔室中，最后热封成型。目前，相关学者对空气衬垫的研究主要包括三类：一是对其材料、结构、原理、环保等方面的理论研究[1-3]；二是对其进行模拟仿真分析等方面研究[4-11]；三是采用空气衬垫对具体产品进行包装并将其与原有包装进行比较分析[12-15]。

因此，本文针对包装用空气柱衬垫设置动态压缩试验，分析不同规格参数的空气柱衬垫缓冲防护特性的差异，并对其缓冲性能进行研究。

1 实验

1.1 试验标准

本文采用试验标准为ASTM D1596-1997(2011)《Standard Test Method for DynamicShock Cushioning Characteristics of Packaging Material》。

1.2 试验仪器设备

传统测试方法中通常采用落锤冲击试验机，利用重锤对被测试样进行冲击。本次试样为空气柱衬垫，其自身特性导致自由跌落试验无法实现。因此，本文选用MTS冲击试验机进行动态试验，等效于对被测试样实现自由跌落。

1.3 试验材料

空气柱衬垫：生产厂家为苏州亚比斯国际企业有限公司，空气柱衬垫充气后初始规格及参数见表1。空气柱薄膜材料为聚乙烯/尼龙/聚乙烯三层材料共挤复合而成。

1.4 应力-能量法原理

应力-能量法是一种改进的绘制材料动态缓冲特性曲线方法。重锤进行跌落时，假设能量守恒，重锤产生的势能全部转化为材料吸收的能量。此时缓冲材料变形能可以用如下公式表示：

式中：E为动能量（kN/m2）；m为重锤质量（kg）；g 为重力加速度（m/s2）；h 为跌落高度（mm）；A为缓冲材料表面积（m2）；s 为静应力（kPa）；t 为缓冲材料厚度（mm）；

材料动应力与其加速度峰值关系如下：

式中：σ为动应力（kPa）；G为加速度峰值（g）；

材料自身的缓冲特性随着其成分和密度的确定也随之确定。应力-能量法理论中假设动应力与动能量成指数关系，数学表达式为：

式中：a，b均为缓冲材料常数；e为自然对数的底；

令y=G*s；x=sh/t，则式（5）可变为：

此式即为曲线法拟合数学模型。通过试验获得一系列相关数据，可将结果利用Matlab软件进行拟合，从而可以预测不同厚度缓冲材料在不同跌落高度下其动态缓冲特性曲线。

1.5 试验步骤

本文采用动态压缩试验对产品所遭受的冲击破坏程度进行直观表征，试验结果用最大加速度-静应力曲线进行描述。为绘制该条曲线，至少需得到曲线上5个点的数值，即至少进行5组实验且选择不同跌落高度重复试验。

试验步骤如下：

（1）试验样品温湿度预处理。参照GB4857.2-84相关标准，对试样进行24h以上预处理。

（2）确定重锤质量。本试验参考其他文献研究结论与相关试验经验，确立多组静应力值，从而确定重锤质量。

（3）选择试验能量域，并设定一个步长，根据试验条件选取几个不同能量值。

（4）等效跌落高度。由公式（5）可知，针对每个能量值，当缓冲材料厚度和重锤质量确定时，等效跌落高度也随之确定。

（5）选择被测材料并放置于试验机台面中心，材料上放置重锤。预先设置好重锤质量，每一块试样连续试验5次，绘制出所有试样的加速度-时间曲线。

（6）更换不同重锤质量和跌落高度，重复上述试验。

2 试验数据处理

实验共进行五组，每组分别在三种不同重锤质量和等效跌落高度下进行测试。试验中记录最大加速度，根据国家标准，最大加速度数值应取5次连续冲击中后4次试验数值，对其取平均值。算出最大加速度均值后，根据公式（4）计算出相对应的动应力值，并算出每组的平均动应力值及等效动能量。将得出的5组动能量-动应力值代入公式（5）中，根据动能量-动应力关系列表建立坐标系，利用Matlab软件进行拟合求出公式中的a和b值，结果如下图1，2，3。规格23-75指气柱厚度为23mm，薄膜厚度为75μm。

由此得到三种不同规格空气柱衬垫最大加速度-静应力关系式：

①规格为23-75空气柱衬垫：

②规格为23-110空气柱衬垫：

图1 规格为23-75空气柱衬垫拟合曲线

图2 规格为23-110空气柱衬垫拟合曲线

图3 规格为32-110空气柱衬垫拟合曲线

③规格为32-110空气柱衬垫：

3 结果与分析

3.1 空气柱衬垫不同跌落高度下G-σst曲线

利用上式能够预测厚度一定时，三种不同规格空气柱衬垫从不同的高度跌落其动态缓冲特性曲线，如图4，5，6。图中数值是跌落高度，单位为m。

图4 规格为23-75空气柱衬垫不同跌落高度下G-σst曲线

图5 规格为23-110空气柱衬垫不同跌落高度下G-σst曲线

图6 规格为32-110空气柱衬垫不同跌落高度下G-σst曲线

3.2 结果分析

1）比较不同跌落高度空气柱衬垫动态缓冲特性差异，如图4-6：

a.不同跌落高度下曲线相近，类似于开口向上的凹形。随着静应力增大，最大加速度G值先减小，达到极小值时再随之增大。跌落高度较小时，当静应力取值增大，G值无明显增大，曲线也较为平坦。b.跌落高度增加，曲线逐渐向左上方移动。可以理解为，当静应力取值一样时，随着所选取跌落高度值的增大，最大加速度G值也变大，即材料所受到的冲击载荷增大。

2）比较不同薄膜厚度空气柱衬垫动态缓冲特性，如图4-5：

a.不同薄膜厚度的动态缓冲曲线形状相似，即缓冲特性变化规律大体相同。b.随着薄膜厚度的增加，曲线向右方移动。可认为当薄膜厚度增加时，试验曲线中最低点处的σst值随之增大。说明冲击加速度值一样时，试样可以抵抗的冲击破坏增大。

3）比较不同气室宽度空气柱衬垫动态缓冲特性，如图5-6：

a.不同气室宽度的动态缓冲曲线形状类似，即缓冲特性变化规律大体相同。b.随着气室宽度的增加，曲线向下方移动。当σst取值一样时，G值随着空气柱气室宽度的增加而减小，且其G值的极小值也减小。可以认为，当遭受相同冲击载荷作用时，气室宽度增大，材料表现出较为优异的缓冲特性。这是因为气室宽度越大，气柱内所含气体越多，当空气柱衬垫受到冲击作用时，所吸收的冲击能量也越多。c.动态缓冲曲线随着空气柱衬垫气室宽度增大而向右移动。气室宽度增大时，曲线最低点处所对应的σst值也随之增大。说明当冲击加速度相同时，材料所能承受的冲击载荷随气室宽度的增加而增大。

4 结语

模拟包装件在搬运过程中所受冲击破坏，通过动态压缩试验和应力-能量法得到空气柱衬垫最大加速度-静应力曲线。试验结果显示材料缓冲性和承载能力均随着厚度增大而加强；跌落高度增大，包装件所受冲击载荷也随之增大，研究结果可为空气柱衬垫缓冲包装设计方案提供计算依据。

[1] Malasri S, Aung P, Moser K, et al． Subsequent Impact Acceleration Analysis of Air Pillow Study[C]． Mid-South Annual Engineering and Sciences Conference, Christian Brothers University, Mamphis, Tennessee． 2012．

[2] Burgess G． Consolidation of cushion curves[J]． Packaging Technology and Science,1990,3(4)： 189-194．

[3] Gao D, Lu F D． Study on shock response of cushion packaging system based on combined model using hyperbolic tangent and tangent functions with consideration of rotation effect[J]． Applied Mechanics and Materials,2012,1161-1166．

[4] H．Yamashiro． Cushion filler TRICONE[J]． JPI Journal,1989,27(2)：291-294．

[5] Arai T, Kono M． A brand new shock absorbing material[J]．JPI Journal,1993,31(8)： 891-897．

[6] Takahashi． Development of Environment-Friendly Cushioning Materials[J]． JPI Journal,1997,35(2)： 166–173．

[7]刘功, 宋海燕, 刘占胜, 等． 空气垫缓冲包装性能的研究[J]． 包装与食品机械,2005,23(2)： 18-20．

[8]郭静, 康勇刚． 充气垫缓冲材料动态冲击性能评价[J]．包装工程, 2014, 35(1)： 73-76．

[9]陈鸣, 彭雄奇, 石少卿, 等． 薄膜超弹性本构模型及其在空气垫中的应用[J]． 上海交通大学学报, 2014, 48(6)：883-887．

[10]王慧． 空气衬垫的缓冲防护机理与冲击特性研究[D]．哈尔滨商业大学, 2014．

[11]吴芳英, 范小平, 向红, 等． 空气垫静态缓冲性能的数值模拟[J]． 包装工程, 2015, 36(5)： 11-15．

[12]郑小林, 任力强． 气垫性能及平板玻璃缓冲包装[J]．包装工程, 1991, 12(2)： 62-64．

[13]刘占胜, 宋海燕, 李光, 等． 洗碗机的缓冲包装[J]． 中国包装, 2004, 24(1)： 97-98．

[14]王雪芬． 瓶装产品的充气袋包装研究[D]． 江南大学,2014．

[15]傅静芳． 充气垫作为小型家电缓冲包装的可行性研究[J]． 包装工程, 2005, 26(5)： 35-36．

Research on Cushioning Properties of Air Tube Pillow

CHEN Zi-yin, WANG Yu-long, LIANG Xiu

TB485.1

A

1400 (2017) 09-0051-05

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.09.004

武汉大学开放实验项目（WHU-2016-KFSY-02）

陈梓垠（1995—)，女，湖北人，武汉大学硕士生，主攻运输包装。

王玉龙（1965—），男，江苏人，武汉大学副教授，主要研究方向为运输包装、包装结构设计。