探讨结构变化对EPS缓冲包装缓冲性能的影响

■ 文/珠海格力电器股份有限公司 程海瑞，金昊鹏，汤志平

0 引 言

包装是在货物运输及流通过程中为保护产品、方便储运、促进销售并按一定技术方法而采用容器、材料及辅助物等一系列技术措施的总称。一件商品从生产到消费者购买往往会经历复杂的运输过程。为了保障产品在运输过程中不受破坏，厂家们纷纷为产品设计了对应的包装，这种包装称之为运输包装。

产品在流通过程中，其受损主要出现在装卸、运输和储运三个环节。在流通过程中有一定概率会发生产品跌落现象，此时产品受到的冲击力一般是产品在整个过程中受到的最大冲击力。因此，运输包装在设计时主要研究的是如何降低跌落时产品受到的冲击力

目前，市面上常见的运输包装材料有塑料、木材、纸、聚苯乙烯泡沫（EPS）、珍珠棉（EPE）等，其中EPS因性能良好、价格低廉，被广泛应用在各种产品的包装上。其缓冲机理是通过材料内封闭的小气泡以压缩变形的方式吸收外界的冲击载荷。因其缓冲机理，设计者大多忽视了其结构对EPS缓冲性能的影响。目前EPS缓冲件的缓冲面多为平面结构，而平面结构到底是不是最优的设计方案呢？本文将通过CAE软件测试不同结构的缓冲面对EPS缓冲包装力学性能的影响，并以实例分析探索其对整个运输过程带来的影响，为包装设计提供理论依据。

1 研究方法及目标

1.1 选取某款产品的缓冲泡沫，调整其最大缓冲面的结构，保障除调整缓冲面结构外，其他结构均保持不变，缓冲结构调整后，缓冲件最厚处保持一致。

1.2 通过LS-DYNA软件测试，仅缓冲面结构有所不同，其他条件相同下的缓冲泡沫的堆码、跌落场景下的力学性能，比较力学性能差异。

1.3 通过ANSYS静力学板块，测试相同压力下不同结构缓冲件的变形量，判定不同结构缓冲件的堆码性能。

1.4 测量其在不同结构下的体积大小，探究其采购及对后续产品运输成本的影响。

EPS缓冲件为模具成型，因而异型结构在生产工艺方面不会遇见瓶颈。本文将以平面、球面、棱台面、棱台和球体混合面四种不同的结构面作为具体研究对象，其中平面为珠海格力电器股份有限公司现有设计方案。研究具体对象如图1、图2、图3、图4所示。

图1 平面缓冲面

图2 球面缓冲面

图3 棱台缓冲面

图4 混合缓冲面

2 性能影响分析

2.1 不同结构的缓冲性能分析

通过LS-DYNA软件对4种缓冲包装进行跌落仿真分析，通过获取其内装物的最大加速度以及整个跌落过程中的能量变化，分析结构对EPS缓冲性能的影响。

上述4种研究对象均是在某款空调内机包装衍生出来的，对其结构的改进方式已在上文提及，仅对其底面结构进行改变，未改变其内腔结构，因此其内装物可保持一致。如图5所示，为仿真对象简化后的三维模型。本文主要是探究泡沫的性能，仅需内装物的质量与原模型的质量保持相同即可。在本次分析中，可通过调节内装物的密度来控制其质量。

图5 仿真对象模型

对不同结构进行跌落分析后，结果如图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13所示。

图6 平面结构跌落能量变化图

图7 平面结构跌落内装物加速度变化图

图8 球面结构跌落能量变化图

图9 球面结构跌落内装物加速度变化图

图10 棱台面结构跌落能量变化图

图11 棱台面结构跌落内装物加速度变化图

图12 混合面结构跌落能量变化图

图13 混合面结构跌落内装物加速度变化图

通过整理上述加速度折线图数据，可获取不同结构下内装物的最大加速度，如表1所示。

表1 不同结构缓冲面下内装物最大加速度值

在包装运输学中，判定产品跌落后损坏的一种方式是通过脆值来进行判定，也就是将产品跌落后的最大加速度与产品许用脆值进行比较。通过式（1）可知，若最大加速度小于产品许用脆值，则可判定此包装设计合理，能够实现保护产品不被破坏的目的。

其中：Gm为产品跌落最大加速度；Gc为产品脆值；n为产品许用系数，n≥1。

通过对比分析可知，圆球形结构内装物最大加速度最小，可认为此种结构缓冲性能在四种结构中最好，其次是平面结构。

2.2 不同结构的堆码性能分析

按照国标分别在不同结构缓冲泡沫上施加相同的力，通过比较其变形量来获取其堆码能力。四种结构下其堆码结果如图14、图15、图16、图17所示。

图14 平面结构堆码分析图

图15 球面结构堆码分析图

图16 棱台结构堆码分析图

图17 混合结构堆码分析图

通过以上4种不同结构的堆码分析，可得出以下数据（见表2）。通过分析表中数据，发现4种结构的缓冲泡沫堆码能力大致相同。

表2 不同结构堆码变形量

3 成本影响探究

通过分析可看出，缓冲面的不同结构对EPS缓冲件的缓冲性能具有显著影响，对缓冲件的堆码能力影响较小。本文研究的几种结构中，EPS缓冲件整体性能以半球面结构最为优异。

从经济方面分析：如表3所示，通过比较产品整体体积，发现我司现有结构的体积最大，由于本次分析四种不同结构泡沫的密度一致，因此通过公式（2）。

其中：p为密度，单位g/cm3；v为体积，单位cm3；m为质量，单位g。

可知平面方案的质量最大，由于泡沫成本是以质量计算价格，因此平面方案的采购成本最高，半球形结构最低。半球形结构的缓冲性能和成本均优于常用的平面缓冲结构。

表3 不同结构缓冲泡沫体积参数

4 结 语

本文以其他条件相同，缓冲面结构不同的某款缓冲件为研究对象，首先明确研究目标以及研究方法，其次通过LS-DYNA等CAE软件对不同结构的缓冲件进行分析，获取产品跌落高度相同时不同结构内装物的整体最大加速大以及不同结构缓冲件在相同作用力下的变形量。

通过比较不同内装物的整体加速度，计算判定不同结构缓冲件的缓冲优劣性；通过比较不同结构缓冲件的变形量，判定不同结构缓冲件的堆码性能。通过分析表明：不同结构的缓冲面对缓冲件的缓冲能力有较大影响；在上述四种结构中以半球形缓冲结构的缓冲性能最为优异，且其采购成本最低；合理的缓冲结构不仅能提高缓冲件的缓冲性能，还能降低采购成本以及后续的运输成本。