基于路譜分析的緩沖包裝仿真方法

曹梅麗，張永林

(武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430023)

摘要：為了更真實地模擬緩沖包裝系統(tǒng)在物流過程中的動態(tài)響應，研究一種基于路譜分析的緩沖包裝仿真方法。將國家等級公路的功率譜數據、中國典型道路的路譜數據作為輸入，在仿真軟件里進行貨車動態(tài)仿真，得到貨車車廂底板加速度數據，將這個數據作為緩沖包裝系統(tǒng)的激振源，進行緩沖隔震仿真。該方法能夠真正意義上模擬緩沖包裝系統(tǒng)在真實物流環(huán)境下的動態(tài)響應，校核緩沖包裝系統(tǒng)的緩沖性能。

關鍵詞：路譜；緩沖包裝；仿真

收稿日期：2015-03-10.

作者簡介：曹梅麗(1980-)，女，副教授,E-mail:105414945@qq.com.

文章編號：2095-7386(2015)03-0057-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.03.012

中圖分類號：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

汽車平順性指：保持汽車在行駛過程中乘員在振動環(huán)境中具有一定舒適性的性能，對貨車而言，還包括保證貨物完好的能力[1]。車輛工程領域著重研究乘用車(小轎車)的路面輸入、懸架系統(tǒng)對乘員舒適性的影響，少見對商用車(貨車)貨物完好性的研究。而貨物完好性的研究只在包裝工程領域得到充分研究，但基于沖擊試驗，理論依據是脆值理論或易損度，偏向于貨物本身性能和包裝材料緩沖特性的研究，未將貨物完好性置于路面環(huán)境中進行研究。

基于上述原因，筆者將汽車領域的平順性要求與包裝工程領域的緩沖包裝結合起來，提出了一種基于路譜分析的緩沖包裝仿真方法。該方法能夠真實模擬物流過程中的路況對緩沖包裝系統(tǒng)的動態(tài)響應，校核緩沖包裝系統(tǒng)的緩沖隔震性能。

2汽車平順性評價方法

汽車平順性國內外研究較多，且有多種評價方法[2-4]。車輛的平順性評價方法有主觀評價方法和客觀評價方法。主觀評價由有經驗的駕駛員和乘客組成專門小組來完成汽車行駛平順性的評價，評價可信度隨參評人員數量的增加而增加。客觀評價方法由測量儀器完成對隨機振動數據的采樣、記錄和數據處理。目前具體的方法有：K 系數法、吸收功率法、1/3倍頻帶分別方法，總的加速度加權均方根值評價法，加速度加權均方根和等效均值綜合法等[5-8]。有關學者對各種方法進行比較研究，發(fā)現(xiàn)加速度加權均方根值最直接地反映了汽車平順性的優(yōu)劣[9]。

對貨物而言，沒有不舒適的感覺，評價指標就是失效，即不完好。為保護商品在流通過程中不因受到沖擊和振動而失效所進行的包裝稱為緩沖防振包裝，亦稱緩沖包裝。為了實現(xiàn)合理的緩沖包裝，需涉及包裝材料、商品流通系統(tǒng)、產品結構、包裝結構、緩沖包裝材料和試驗測試技術等方面，但緩沖包裝研究重點在于包裝容器的緩沖功能。

3傳統(tǒng)的緩沖隔震包裝研究方法

1945年美國貝爾實驗室的Mindlin和他領導的研究小組把機械振動分析理論應用到歷來靠“試探法”或憑經驗進行分析和設計的包裝領域中來,形成了獨特的“緩沖包裝理論”[10]。1968年,Newton提出了包裝產品破損的邊界條件理論,建立了脆性評定定理及其測試方法,并被載入美國材料試驗標準(ASTM)[11]。20世紀80年代,美國MTS系統(tǒng)有限公司與密執(zhí)安州立大學包裝學院共同研制出緩沖包裝的5步設計法,后來發(fā)展為更完善的緩沖包裝設計六步法：(1)確定流通環(huán)境條件；(2)產品脆值估計；(3)產品重新設計；(4)襯墊材料的計算；(5)設計包裝系統(tǒng)；(6)試驗包裝系統(tǒng)原形,并給出了每一步驟應貫徹的ASTM標準,從而為緩沖包裝設計理論奠定了堅實的基礎[12]。

最近一些年，仿真技術在緩沖包裝領域得到了廣泛應用，該方法通過對被包裝對象與包裝容器組成的包裝系統(tǒng)建模，然后對材料進行定義，施加載荷與約束，分析某緩沖包裝下的產品的響應，對緩沖結構進行校核,指導緩沖包裝設計[13-15]。該方法可以克服以往將緩沖包裝系統(tǒng)作為單自由度、二自由度處理進行理論計算的局限性，但緩沖包裝的仿真仍然是建立在沖擊試驗的基礎上，進行的是沖擊仿真，少見實際路況振動下的仿真。

4基于路譜分析的緩沖包裝仿真方法

要模擬真實物流狀態(tài)下的緩沖隔震性能，必須將路面信息考慮進去。貨物在運輸過程中受到強迫振動，這種強迫振動一方面來自汽車發(fā)動機的振動，另一部分來自于路面高程的激勵。發(fā)動機的振動屬于高頻振動，對貨物影響不大，對貨物有影響的主要是路面不平度引起的寬頻帶振動。

基于路譜分析的緩沖設計方法，將路況作為輸入，路況一般由路面不平度即道路表面對于理想平面的偏離。路面不平度輸入通過貨車輪胎和懸架系統(tǒng)到達貨車車廂底板，其加速度響應就是緩沖包裝設計的激勵源。在仿真軟件里建立緩沖包裝系統(tǒng)模型，將貨車車廂底板的加速度響應數據作為輸入，即可得到緩沖包裝系統(tǒng)的響應，校核緩沖結構，指導緩沖包裝設計。

基于路譜分析的緩沖包裝法需要將路面不平度數據庫、仿真技術結合起來，對計算機應用技術要求較高。

4.1路庫數據庫的應用

在發(fā)達國家，數據庫在包裝領域的應用已相當普遍,多種高質、高效的集成數據庫系統(tǒng)已應用于緩沖包裝設計。中國數據庫技術在包裝行業(yè)的開發(fā)應用和發(fā)達國家差距大, 但也建立了一部分數據庫如：流通環(huán)境數據庫、飲料包裝材料數據庫、食品包裝方法數據庫、各國包裝設計偏好數據庫等，豐富了中國包裝專業(yè)知識體系。其中流通環(huán)境數據庫中包括氣象條件數據庫, 裝卸搬運數據庫, 運輸工具沖擊、振動數據庫[16]。振動數據庫僅列舉了水上運輸、空運和公路運輸的頻帶范圍，未將路面不平度數據庫劃進來，使振動源數據不夠具體真實。國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)現(xiàn)代交通技術領域汽車開發(fā)先進技術項目成立課題組——中國典型汽車道路譜統(tǒng)計測量及應用系統(tǒng)開發(fā)，對全國各地的道路譜數據進行了采集、數據處理、數據庫建立、路面模型及道路譜重構、專業(yè)應用軟件編寫、驗證試驗以及標準起草等工作[17]，該項目建成的數據庫可以查詢到全國各地區(qū)路面的路譜信息，這些數據和國家等級公路數據一起可以組成流通環(huán)境振動原始數據庫。

4.2貨車車廂底板的動態(tài)仿真

路面不平度作為輸入經過輪胎、懸架系統(tǒng)到達貨車車廂底板，這個過程可以通過ADAMS/car這一類仿真軟件進行仿真試驗。ADAMS/car模塊里有車輛整車樣機模型，在建模過程中，只需根據實際運輸工具參數，改變模型變量值，系統(tǒng)就可以自動更新樣機模型，得到同結構下的新車型，也可以自己創(chuàng)建全新的整車模型。

車輛的輸入可以是力、位移，其形式可以是正弦掃描激勵、旋轉質量激勵或是功率譜密度函數，或者是用戶自定義的函數，輸出可以是位移、速度、加速度等。

路面數據一般表示成功率譜形式[1]：

(1)

式中,n為空間頻率；n0為參考空間頻率；Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數；w為頻率指數，決定路面功率譜密度的頻率結構。按路面功率譜密度的量度把路面不平度分為8級。

4.3貨車車廂底板的動態(tài)仿真

輸入某等級的國家公路的功率譜密度函數，對上述整車模型進行動態(tài)仿真，可得到某貨車在等該級道路上車廂底板的加速度響應數據?？梢暂斎胫袊湫偷缆纷V的功率譜密度函數，得到中國各典型道路上某型號貨車貨車車廂底板加速度。同理改變貨車模型，就可以得到市場上典型貨車在國家等級公路上或中國典型道路上的車廂底板加速度數據庫。

在對緩沖包裝系統(tǒng)進行仿真時，不需要對車輛在物流環(huán)境中的動態(tài)響應進行仿真分析，可直接從上述加速度數據庫里導出某車在某路上的車廂底板加速度數據，作為緩沖包裝系統(tǒng)的振動源，在ANSYS、ADAMS等仿真軟件里進行振動仿真分析，輸出產品加速度，進行比較分析，即可對某緩沖結構進行校核、設計。

5結束語

基于路譜分析的緩沖包裝結構設計，能夠更真實地模擬實際物流狀態(tài)。此方法工作量大，因此可以將各型號貨車車廂底板在各等級公路和中國典型公路上的加速度響應建成數據庫供緩沖設計用。后續(xù)的緩沖包裝設計只需要將該數據庫里的加速度數據作為輸入進行緩沖仿真設計即可。

參考文獻：

[1]余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003:173-174.

[2]趙繼海，王哲人．路面不平度的測量分析與應用[M]．北京：北京理工大學出版社，2000．

[3]Oldrich Kropac, Peter Mucka. Be careful when using the international roughness index as an indicator of road unevenness [J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 287: 989-1003.

[4]VincentRouillard, Ben Bruscella, Michael Sek. Classification of road surface profiles[J]. Journal of Transportation Engineering. 2000, 1(2): 41-45.

[5]Ibrahim I M. Non-linear simulation model for articulated vehicles with controllable dampers and flexible sub-structures[R]. SAE Technical Paper, 2002.

[6]Cniffin．Duration of whole-body vibrafion exposure：Its effects on comfort[J]．Journal of Sound and Vibration,1986,48:333-339.

[7]Eicbberger A,Rulka W. Process save reduction by macro joint approach: The key to real time and efficient vehicle simulation[J]. Vehicle System Dynamics, 2004, 41 (5): 401-413.

[8]于學華．汽車平順性技術理論與實踐研究[M]．長春：東北林業(yè)大學,2002.

[9]湯愛華，康小鵬，歐健,等. 車輛平順性評價標準適用性分析[J].四川理工學院學報，2011, 5(24 ):530-532.

[10]Mindlin R D. Dynamics of package cushioning [J]. Bell System Technical Journal, 1945，24 (304) : 352-361.

[11]Newton R E. Fragility assessment theory and test procedure [M].Monterey Research Laboratory, 1968.

[12]周明硯, 張峻嶺.緩沖包裝設計理論的發(fā)展及方向[J]. 包裝工程,2005,2(26):70-71.

[13]郭勇,盧富德,高德,等.基于MATLAB/GUI 緩沖包裝動力學優(yōu)化設計[J].振動與沖擊，2014,2(33):81-83.

[14]郭彥峰，付云崗，許文才,等. 緩沖包裝件的運輸包裝性能測試與評估技術[J].包裝工程，2006,1(27)：26-28.

[15]金海軍, 張志勇.緩沖包裝設計及其動態(tài)仿真模擬[J]. 包裝與食品機械，2006,6(24):7-9.

[16]劉乘,李瓊.緩沖包裝設計數據庫[J].包裝工程，2006，4(27)：100-101.

[17]錢金戈.VPG中虛擬路面再造方法及其仿真研究[D].江蘇：蘇州大學，2010.