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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

摘要：為了更真實(shí)地模擬緩沖包裝系統(tǒng)在物流過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究一種基于路譜分析的緩沖包裝仿真方法。將國(guó)家等級(jí)公路的功率譜數(shù)據(jù)、中國(guó)典型道路的路譜數(shù)據(jù)作為輸入，在仿真軟件里進(jìn)行貨車動(dòng)態(tài)仿真，得到貨車車廂底板加速度數(shù)據(jù)，將這個(gè)數(shù)據(jù)作為緩沖包裝系統(tǒng)的激振源，進(jìn)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(shí)物流環(huán)境下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，校核緩沖包裝系統(tǒng)的緩沖性能。

關(guān)鍵詞：路譜；緩沖包裝；仿真

收稿日期：2015-03-10.

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

文章編號(hào)：2095-7386(2015)03-0057-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.03.012

中圖分類號(hào)：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(guò)程中乘員在振動(dòng)環(huán)境中具有一定舒適性的性能，對(duì)貨車而言，還包括保證貨物完好的能力[1]。車輛工程領(lǐng)域著重研究乘用車(小轎車)的路面輸入、懸架系統(tǒng)對(duì)乘員舒適性的影響，少見對(duì)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(lǐng)域得到充分研究，但基于沖擊試驗(yàn)，理論依據(jù)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(jìn)行研究。

基于上述原因，筆者將汽車領(lǐng)域的平順性要求與包裝工程領(lǐng)域的緩沖包裝結(jié)合起來(lái)，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(shí)模擬物流過(guò)程中的路況對(duì)緩沖包裝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，校核緩沖包裝系統(tǒng)的緩沖隔震性能。

2汽車平順性評(píng)價(jià)方法

汽車平順性國(guó)內(nèi)外研究較多，且有多種評(píng)價(jià)方法[2-4]。車輛的平順性評(píng)價(jià)方法有主觀評(píng)價(jià)方法和客觀評(píng)價(jià)方法。主觀評(píng)價(jià)由有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員和乘客組成專門小組來(lái)完成汽車行駛平順性的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)可信度隨參評(píng)人員數(shù)量的增加而增加?？陀^評(píng)價(jià)方法由測(cè)量?jī)x器完成對(duì)隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣、記錄和數(shù)據(jù)處理。目前具體的方法有：K 系數(shù)法、吸收功率法、1/3倍頻帶分別方法，總的加速度加權(quán)均方根值評(píng)價(jià)法，加速度加權(quán)均方根和等效均值綜合法等[5-8]。有關(guān)學(xué)者對(duì)各種方法進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)加速度加權(quán)均方根值最直接地反映了汽車平順性的優(yōu)劣[9]。

對(duì)貨物而言，沒(méi)有不舒適的感覺(jué)，評(píng)價(jià)指標(biāo)就是失效，即不完好。為保護(hù)商品在流通過(guò)程中不因受到?jīng)_擊和振動(dòng)而失效所進(jìn)行的包裝稱為緩沖防振包裝，亦稱緩沖包裝。為了實(shí)現(xiàn)合理的緩沖包裝，需涉及包裝材料、商品流通系統(tǒng)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、包裝結(jié)構(gòu)、緩沖包裝材料和試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)等方面，但緩沖包裝研究重點(diǎn)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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Mindlin和他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組把機(jī)械振動(dòng)分析理論應(yīng)用到歷來(lái)靠“試探法”或憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的包裝領(lǐng)域中來(lái),形成了獨(dú)特的“緩沖包裝理論”[10]。1968年,Newton提出了包裝產(chǎn)品破損的邊界條件理論,建立了脆性評(píng)定定理及其測(cè)試方法,并被載入美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)[11]。20世紀(jì)80年代,美國(guó)MTS系統(tǒng)有限公司與密執(zhí)安州立大學(xué)包裝學(xué)院共同研制出緩沖包裝的5步設(shè)計(jì)法,后來(lái)發(fā)展為更完善的緩沖包裝設(shè)計(jì)六步法：(1)確定流通環(huán)境條件；(2)產(chǎn)品脆值估計(jì)；(3)產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)；(4)襯墊材料的計(jì)算；(5)設(shè)計(jì)包裝系統(tǒng)；(6)試驗(yàn)包裝系統(tǒng)原形,并給出了每一步驟應(yīng)貫徹的ASTM標(biāo)準(zhǔn),從而為緩沖包裝設(shè)計(jì)理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[12]。

最近一些年，仿真技術(shù)在緩沖包裝領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，該方法通過(guò)對(duì)被包裝對(duì)象與包裝容器組成的包裝系統(tǒng)建模，然后對(duì)材料進(jìn)行定義，施加載荷與約束，分析某緩沖包裝下的產(chǎn)品的響應(yīng)，對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核,指導(dǎo)緩沖包裝設(shè)計(jì)[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(jìn)行理論計(jì)算的局限性，但緩沖包裝的仿真仍然是建立在沖擊試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行的是沖擊仿真，少見實(shí)際路況振動(dòng)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(shí)物流狀態(tài)下的緩沖隔震性能，必須將路面信息考慮進(jìn)去。貨物在運(yùn)輸過(guò)程中受到強(qiáng)迫振動(dòng)，這種強(qiáng)迫振動(dòng)一方面來(lái)自汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，另一部分來(lái)自于路面高程的激勵(lì)。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)，對(duì)貨物影響不大，對(duì)貨物有影響的主要是路面不平度引起的寬頻帶振動(dòng)。

基于路譜分析的緩沖設(shè)計(jì)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(duì)于理想平面的偏離。路面不平度輸入通過(guò)貨車輪胎和懸架系統(tǒng)到達(dá)貨車車廂底板，其加速度響應(yīng)就是緩沖包裝設(shè)計(jì)的激勵(lì)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(yīng)數(shù)據(jù)作為輸入，即可得到緩沖包裝系統(tǒng)的響應(yīng)，校核緩沖結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)緩沖包裝設(shè)計(jì)。

基于路譜分析的緩沖包裝法需要將路面不平度數(shù)據(jù)庫(kù)、仿真技術(shù)結(jié)合起來(lái)，對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)要求較高。

4.1路庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用

在發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)據(jù)庫(kù)在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用已相當(dāng)普遍,多種高質(zhì)、高效的集成數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)已應(yīng)用于緩沖包裝設(shè)計(jì)。中國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在包裝行業(yè)的開發(fā)應(yīng)用和發(fā)達(dá)國(guó)家差距大, 但也建立了一部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)如：流通環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、飲料包裝材料數(shù)據(jù)庫(kù)、食品包裝方法數(shù)據(jù)庫(kù)、各國(guó)包裝設(shè)計(jì)偏好數(shù)據(jù)庫(kù)等，豐富了中國(guó)包裝專業(yè)知識(shí)體系。其中流通環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中包括氣象條件數(shù)據(jù)庫(kù), 裝卸搬運(yùn)數(shù)據(jù)庫(kù), 運(yùn)輸工具沖擊、振動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)[16]。振動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)僅列舉了水上運(yùn)輸、空運(yùn)和公路運(yùn)輸?shù)念l帶范圍，未將路面不平度數(shù)據(jù)庫(kù)劃進(jìn)來(lái)，使振動(dòng)源數(shù)據(jù)不夠具體真實(shí)。國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)現(xiàn)代交通技術(shù)領(lǐng)域汽車開發(fā)先進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目成立課題組——中國(guó)典型汽車道路譜統(tǒng)計(jì)測(cè)量及應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，對(duì)全國(guó)各地的道路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)建立、路面模型及道路譜重構(gòu)、專業(yè)應(yīng)用軟件編寫、驗(yàn)證試驗(yàn)以及標(biāo)準(zhǔn)起草等工作[17]，該項(xiàng)目建成的數(shù)據(jù)庫(kù)可以查詢到全國(guó)各地區(qū)路面的路譜信息，這些數(shù)據(jù)和國(guó)家等級(jí)公路數(shù)據(jù)一起可以組成流通環(huán)境振動(dòng)原始數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2貨車車廂底板的動(dòng)態(tài)仿真

路面不平度作為輸入經(jīng)過(guò)輪胎、懸架系統(tǒng)到達(dá)貨車車廂底板，這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)ADAMS/car這一類仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)。ADAMS/car模塊里有車輛整車樣機(jī)模型，在建模過(guò)程中，只需根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸工具參數(shù)，改變模型變量值，系統(tǒng)就可以自動(dòng)更新樣機(jī)模型，得到同結(jié)構(gòu)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(lì)、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量激勵(lì)或是功率譜密度函數(shù)，或者是用戶自定義的函數(shù)，輸出可以是位移、速度、加速度等。

路面數(shù)據(jù)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(shù)；w為頻率指數(shù)，決定路面功率譜密度的頻率結(jié)構(gòu)。按路面功率譜密度的量度把路面不平度分為8級(jí)。

4.3貨車車廂底板的動(dòng)態(tài)仿真

輸入某等級(jí)的國(guó)家公路的功率譜密度函數(shù)，對(duì)上述整車模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，可得到某貨車在等該級(jí)道路上車廂底板的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)?？梢暂斎胫袊?guó)典型道路譜的功率譜密度函數(shù)，得到中國(guó)各典型道路上某型號(hào)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(chǎng)上典型貨車在國(guó)家等級(jí)公路上或中國(guó)典型道路上的車廂底板加速度數(shù)據(jù)庫(kù)。

在對(duì)緩沖包裝系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，不需要對(duì)車輛在物流環(huán)境中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，可直接從上述加速度數(shù)據(jù)庫(kù)里導(dǎo)出某車在某路上的車廂底板加速度數(shù)據(jù)，作為緩沖包裝系統(tǒng)的振動(dòng)源，在ANSYS、ADAMS等仿真軟件里進(jìn)行振動(dòng)仿真分析，輸出產(chǎn)品加速度，進(jìn)行比較分析，即可對(duì)某緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核、設(shè)計(jì)。

5結(jié)束語(yǔ)

基于路譜分析的緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠更真實(shí)地模擬實(shí)際物流狀態(tài)。此方法工作量大，因此可以將各型號(hào)貨車車廂底板在各等級(jí)公路和中國(guó)典型公路上的加速度響應(yīng)建成數(shù)據(jù)庫(kù)供緩沖設(shè)計(jì)用。后續(xù)的緩沖包裝設(shè)計(jì)只需要將該數(shù)據(jù)庫(kù)里的加速度數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行緩沖仿真設(shè)計(jì)即可。

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