缓冲包装设计 CAD 开发

■ 文/汇源印刷包装科技（天津）股份有限公司 陈 飞

1 引 言

缓冲包装的目的是在运输、装卸和存储过程中，当发生振动、冲击等外力作用时，用于保护被包装产品的特性和形态。缓冲衬垫作为缓冲包装的重要组成部分，在缓冲包装设计中具有重要作用。

然而，传统的运输包装设计，首先需要根据实验得到产品的脆值，再根据流通条件进行缓冲衬垫、外包装容器的计算和纸箱结构的优化设计，还要进行校核和长时间的实践检验，最后才能得到较为理想的产品包装。传统运输包装设计过程繁复、方案选择不够灵活，可修改性和可扩充性差，极大地制约了缓冲包装设计的发展。因此，缓冲包装计算机辅助设计的发展，可以极大地提高设计的灵活性，减少设计周期，降低设计成本[1-3]。

要采用计算机辅助技术设计缓冲包装，就需要考虑到包装设计方法、包装材料性能及包装结构优化等诸多方面，与传统缓冲包装设计相比难度大大提高，因此，目前在这一方面的研究较少。

本设计采用Visual Basic 6.0开发平台[4]，使用编程语言并辅之以数据库，直接使用编译软件来开发缓冲包装CAD系统[5]，作为缓冲包装的辅助设计工具。该软件基于一定的理论、方法和技术并借助于计算机完成缓冲包装的设计过程；在已知产品和流通条件下，可直接求解产品脆值，并设计出合乎要求且经济可行的缓冲衬垫和外包装容器；绘制图形，并且进行强度校核及结果输出。

2 缓冲包装设计 CAD 系统的组成

缓冲包装CAD设计系统由用户权限确认模块、产品参数输入模块、跌落高度确定模块、缓冲材料选择模块、计算模块、校核模块、输出模块等功能模块组成。本设计系统总流程图如下图1所示。

图1 缓冲包装CAD设计总流程图

2.1 用户权限确认模块

登录软件系统需要输入相应的账号和密码信息，主要用以确定用户的合法性，确认登录后即可进入下一页面。

2.2 产品参数输入模块

用户可在此界面中输入产品基本参数，如质量、长度、宽度、高度等。此外，还可以通过查询国际标准，得到产品的许用脆值。

产品的许用脆值是根据产品的脆值，考虑到产品的价值、强度偏差、重要程度等而规定的产品的许用最大加速度与重力加速度g的比值。产品脆值是指产品经受振动和冲击时用以表示其强度的定量指标，此值表示产品对外力的承受能力，一般用g的倍数G来表示，G值越大，说明产品对外力的承受能力越强。产品脆值的确定方法有冲击试验法、自由跌落试验法和经验估算法。国际公认脆值计算方法为产品破损前的临界加速度a与g的比值。

此外，脆值大小取决于产品本身（构成、材质、连接方式等），产品一定，脆值就一定，但同一产品在不同方向上的脆值不一定相同。究其原因在于产品的脆值各有差异，使用不当时会引起商品的破损。同时，产品的最大加速度响应也可以用来评价其破损情况，因此流通环境的冲击强度必须小于产品脆值。

2.3 跌落高度确定模块

此模块可以通过流通状况查询或应用经验公式求得产品的跌落高度。

流通过程的基本环节主要有装卸搬运环节、运输环节、贮存环节组成。不论是人工或者机械装卸，都可能因为人为因素或者偶发因素使包装件自由跌落。此时冲击碰撞发生于包装件地面之间，根据测定，人工装卸的跌落冲击加速度通常在10g左右，最高达100g。人工装卸中的跌落高度可以用公式（1）计算，该方法适用于16 kg以上的包装件。

式中W为包装件重量（kg）；H为跌落高度（cm）。

2.4 缓冲材料选择模块

用户可以通过查询数据库，选定具体所需的缓冲材料。在包装力学中，一般都把缓冲材料视为理想的弹性体，也就是在长时间反复振动和多次冲击下，它的弹性仍然均匀，没有变化。根据力-变形曲线可以把缓冲材料分为以下几类。

2.4.1 线弹性材料

具有线弹性性质的材料是极少的，该材料的力-变形曲线呈直线型（即在使用范围内符合虎克定律），这意味着该材料线弹性范围较大，在材料使用过程中始终未超过其线弹性值。

2.4.2 正切型缓冲材料

具有正切函数型力-变形曲线的材料很多，如泡沫橡胶、棉花、乳胶海绵、碎纸、涂胶纤维以及预压后的聚苯乙烯泡沫塑料等。该材料力与变形的函数关系如式（2）所示：

式中：当x→∞时的斜率；k0称为初始弹性系数；db为材料的极限变形；当x→db时，F→∞。

2.4.3 双正切性弹性材料

瓦楞纸板、蜂窝板、聚苯乙烯泡沫塑料等塑性材料在受到外力作用的初期表现的力学性质为此类型。该材料力与变形的函数关系如式（3）所示，其中F0为力的极限值。

2.4.4 三次函数型弹性材料

该类材料力与变形的函数关系如式（4）所示：

式中：γ是弹性系数增加率。生活中常见的吊装弹簧结构、木屑、塑料丝、涂胶纤维等材料都属于这一类弹性体。

2.4.5 不规则弹性材料

该类材料力-变形曲线很难用单一数学关系式来表达，大部分高分子发泡材料属于这类弹性体。

2.5 计算模块

根据设计要求，本设计采用最省材料的缓冲设计方法，即过原点切线法。该方法设计出的衬垫可能出现不能完全满足设计要求的情况，但可为设计提供取值范围，即在最小缓冲系数与切点处缓冲系数之间选择一个合适点进行设计，既满足缓冲要求，又节省用料。借助以上模块所得数据，可以计算出缓冲衬垫的各属性参数。

计算时需要对缓冲衬垫结构进行设计，缓冲衬垫最常见的形式有面衬垫、棱衬垫和角衬垫，它们多适用于形状规则的产品。而对于形状不规则的产品，如有突出支臂的零部件，在包装结构设计上要采取适当的措施。例如：将缓材与产品间加硬质胶合板或纤维板隔开，增大受力面积；或将缓材与产品非必要接触部分挖空，缩小接触面积。缓冲衬垫受力时会发生变形，凸起部分先受力，为避免发生损伤，必须预先留出缓冲材料的变形量。

2.6 校核模块

缓冲衬垫的校核分为：产品强度校核、挠度校核、跌落姿态改变时缓冲能力的校核、蠕变量校核和温湿度校核。由于角跌落对包装件损害程度较大，考虑到设计要求，本设计仅进行全面缓冲包装角跌落校核。经过多种校核，确定所选材料是否合适。

2.7 输出模块

模块化输出衬垫图形及产品参数，供用户核实，并提供打印功能。此外，输出后需要对产品数据进行汇总分析，以便能在短时间内查询到所需求的信息。同时，对于数据的保密性、完整性，应采取跟踪调查，严格确保用户信息的安全性。

3 总 结

随着计算机技术的飞速发展，计算机在包装应用领域的普及，使用计算机实现缓冲包装设计势在必行。同时，利用CAD软件设计开发缓冲衬垫，可大大提高产品缓冲包装的设计效率。因此，研发缓冲包装CAD软件系统是缓冲包装设计的必然趋势，对促进缓冲包装的应用研究起到积极作用，对提高包装行业的自动化水平也有一定的推动作用。

缓冲包装设计软件系统的研发工作涉及包装学科的多个领域，还需要深入开展理论和实践研究工作，尤其是对集成式软件的研究开发，可以极大地推动包装工业的自动化水平，开拓良好的应用前景。