陳梓垠，王玉龍，梁秀

（1.武漢大學(xué)，武漢 430079；2.上汽大通汽車有限公司無錫分公司，無錫 214177）

空氣柱襯墊緩沖性能研究

陳梓垠1，王玉龍1，梁秀2

（1.武漢大學(xué)，武漢 430079；2.上汽大通汽車有限公司無錫分公司，無錫 214177）

目的 對空氣柱襯墊的緩沖性能進(jìn)行分析研究。方法 通過動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)和應(yīng)力-能量法得到空氣柱襯墊最大加速度-靜應(yīng)力曲線，研究其動(dòng)態(tài)緩沖性及承載力。結(jié)果 得到了空氣柱襯墊在不同跌落高度不同厚度的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)曲線。 結(jié)論 材料緩沖性和承載能力均隨著厚度增大而加強(qiáng)，跌落高度增大，包裝件所受沖擊載荷也隨之增大。研究結(jié)果為進(jìn)行合理緩沖包裝設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

空氣柱襯墊；應(yīng)力-能量法；動(dòng)態(tài)緩沖性能

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

空氣襯墊是一種新型綠色緩沖包裝材料，由兩層塑料薄膜設(shè)計(jì)成一定寬度的氣室后，利用逆止閥將壓縮空氣注入腔室中，最后熱封成型。目前，相關(guān)學(xué)者對空氣襯墊的研究主要包括三類：一是對其材料、結(jié)構(gòu)、原理、環(huán)保等方面的理論研究[1-3]；二是對其進(jìn)行模擬仿真分析等方面研究[4-11]；三是采用空氣襯墊對具體產(chǎn)品進(jìn)行包裝并將其與原有包裝進(jìn)行比較分析[12-15]。

因此，本文針對包裝用空氣柱襯墊設(shè)置動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，分析不同規(guī)格參數(shù)的空氣柱襯墊緩沖防護(hù)特性的差異，并對其緩沖性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

本文采用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D1596-1997(2011)《Standard Test Method for DynamicShock Cushioning Characteristics of Packaging Material》。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

傳統(tǒng)測試方法中通常采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，利用重錘對被測試樣進(jìn)行沖擊。本次試樣為空氣柱襯墊，其自身特性導(dǎo)致自由跌落試驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)。因此，本文選用MTS沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，等效于對被測試樣實(shí)現(xiàn)自由跌落。

1.3 試驗(yàn)材料

空氣柱襯墊：生產(chǎn)廠家為蘇州亞比斯國際企業(yè)有限公司，空氣柱襯墊充氣后初始規(guī)格及參數(shù)見表1?？諝庵∧げ牧蠟榫垡蚁?尼龍/聚乙烯三層材料共擠復(fù)合而成。

1.4 應(yīng)力-能量法原理

應(yīng)力-能量法是一種改進(jìn)的繪制材料動(dòng)態(tài)緩沖特性曲線方法。重錘進(jìn)行跌落時(shí)，假設(shè)能量守恒，重錘產(chǎn)生的勢能全部轉(zhuǎn)化為材料吸收的能量。此時(shí)緩沖材料變形能可以用如下公式表示：

式中：E為動(dòng)能量（kN/m2）；m為重錘質(zhì)量（kg）；g 為重力加速度（m/s2）；h 為跌落高度（mm）；A為緩沖材料表面積（m2）；s 為靜應(yīng)力（kPa）；t 為緩沖材料厚度（mm）；

材料動(dòng)應(yīng)力與其加速度峰值關(guān)系如下：

式中：σ為動(dòng)應(yīng)力（kPa）；G為加速度峰值（g）；

材料自身的緩沖特性隨著其成分和密度的確定也隨之確定。應(yīng)力-能量法理論中假設(shè)動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)能量成指數(shù)關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：a，b均為緩沖材料常數(shù)；e為自然對數(shù)的底；

令y=G*s；x=sh/t，則式（5）可變?yōu)椋?/p>

此式即為曲線法擬合數(shù)學(xué)模型。通過試驗(yàn)獲得一系列相關(guān)數(shù)據(jù)，可將結(jié)果利用Matlab軟件進(jìn)行擬合，從而可以預(yù)測不同厚度緩沖材料在不同跌落高度下其動(dòng)態(tài)緩沖特性曲線。

1.5 試驗(yàn)步驟

本文采用動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)對產(chǎn)品所遭受的沖擊破壞程度進(jìn)行直觀表征，試驗(yàn)結(jié)果用最大加速度-靜應(yīng)力曲線進(jìn)行描述。為繪制該條曲線，至少需得到曲線上5個(gè)點(diǎn)的數(shù)值，即至少進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)且選擇不同跌落高度重復(fù)試驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟如下：

（1）試驗(yàn)樣品溫濕度預(yù)處理。參照GB4857.2-84相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對試樣進(jìn)行24h以上預(yù)處理。

（2）確定重錘質(zhì)量。本試驗(yàn)參考其他文獻(xiàn)研究結(jié)論與相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確立多組靜應(yīng)力值，從而確定重錘質(zhì)量。

（3）選擇試驗(yàn)?zāi)芰坑?，并設(shè)定一個(gè)步長，根據(jù)試驗(yàn)條件選取幾個(gè)不同能量值。

（4）等效跌落高度。由公式（5）可知，針對每個(gè)能量值，當(dāng)緩沖材料厚度和重錘質(zhì)量確定時(shí)，等效跌落高度也隨之確定。

（5）選擇被測材料并放置于試驗(yàn)機(jī)臺(tái)面中心，材料上放置重錘。預(yù)先設(shè)置好重錘質(zhì)量，每一塊試樣連續(xù)試驗(yàn)5次，繪制出所有試樣的加速度-時(shí)間曲線。

（6）更換不同重錘質(zhì)量和跌落高度，重復(fù)上述試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行五組，每組分別在三種不同重錘質(zhì)量和等效跌落高度下進(jìn)行測試。試驗(yàn)中記錄最大加速度，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，最大加速度數(shù)值應(yīng)取5次連續(xù)沖擊中后4次試驗(yàn)數(shù)值，對其取平均值。算出最大加速度均值后，根據(jù)公式（4）計(jì)算出相對應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力值，并算出每組的平均動(dòng)應(yīng)力值及等效動(dòng)能量。將得出的5組動(dòng)能量-動(dòng)應(yīng)力值代入公式（5）中，根據(jù)動(dòng)能量-動(dòng)應(yīng)力關(guān)系列表建立坐標(biāo)系，利用Matlab軟件進(jìn)行擬合求出公式中的a和b值，結(jié)果如下圖1，2，3。規(guī)格23-75指氣柱厚度為23mm，薄膜厚度為75μm。

由此得到三種不同規(guī)格空氣柱襯墊最大加速度-靜應(yīng)力關(guān)系式：

①規(guī)格為23-75空氣柱襯墊：

②規(guī)格為23-110空氣柱襯墊：

圖1 規(guī)格為23-75空氣柱襯墊擬合曲線

圖2 規(guī)格為23-110空氣柱襯墊擬合曲線

圖3 規(guī)格為32-110空氣柱襯墊擬合曲線

③規(guī)格為32-110空氣柱襯墊：

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣柱襯墊不同跌落高度下G-σst曲線

利用上式能夠預(yù)測厚度一定時(shí)，三種不同規(guī)格空氣柱襯墊從不同的高度跌落其動(dòng)態(tài)緩沖特性曲線，如圖4，5，6。圖中數(shù)值是跌落高度，單位為m。

圖4 規(guī)格為23-75空氣柱襯墊不同跌落高度下G-σst曲線

圖5 規(guī)格為23-110空氣柱襯墊不同跌落高度下G-σst曲線

圖6 規(guī)格為32-110空氣柱襯墊不同跌落高度下G-σst曲線

3.2 結(jié)果分析

1）比較不同跌落高度空氣柱襯墊動(dòng)態(tài)緩沖特性差異，如圖4-6：

a.不同跌落高度下曲線相近，類似于開口向上的凹形。隨著靜應(yīng)力增大，最大加速度G值先減小，達(dá)到極小值時(shí)再隨之增大。跌落高度較小時(shí)，當(dāng)靜應(yīng)力取值增大，G值無明顯增大，曲線也較為平坦。b.跌落高度增加，曲線逐漸向左上方移動(dòng)?？梢岳斫鉃?，當(dāng)靜應(yīng)力取值一樣時(shí)，隨著所選取跌落高度值的增大，最大加速度G值也變大，即材料所受到的沖擊載荷增大。

2）比較不同薄膜厚度空氣柱襯墊動(dòng)態(tài)緩沖特性，如圖4-5：

a.不同薄膜厚度的動(dòng)態(tài)緩沖曲線形狀相似，即緩沖特性變化規(guī)律大體相同。b.隨著薄膜厚度的增加，曲線向右方移動(dòng)?？烧J(rèn)為當(dāng)薄膜厚度增加時(shí)，試驗(yàn)曲線中最低點(diǎn)處的σst值隨之增大。說明沖擊加速度值一樣時(shí)，試樣可以抵抗的沖擊破壞增大。

3）比較不同氣室寬度空氣柱襯墊動(dòng)態(tài)緩沖特性，如圖5-6：

a.不同氣室寬度的動(dòng)態(tài)緩沖曲線形狀類似，即緩沖特性變化規(guī)律大體相同。b.隨著氣室寬度的增加，曲線向下方移動(dòng)。當(dāng)σst取值一樣時(shí)，G值隨著空氣柱氣室寬度的增加而減小，且其G值的極小值也減小?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)遭受相同沖擊載荷作用時(shí)，氣室寬度增大，材料表現(xiàn)出較為優(yōu)異的緩沖特性。這是因?yàn)闅馐覍挾仍酱?，氣柱?nèi)所含氣體越多，當(dāng)空氣柱襯墊受到?jīng)_擊作用時(shí)，所吸收的沖擊能量也越多。c.動(dòng)態(tài)緩沖曲線隨著空氣柱襯墊氣室寬度增大而向右移動(dòng)。氣室寬度增大時(shí)，曲線最低點(diǎn)處所對應(yīng)的σst值也隨之增大。說明當(dāng)沖擊加速度相同時(shí)，材料所能承受的沖擊載荷隨氣室寬度的增加而增大。

4 結(jié)語

模擬包裝件在搬運(yùn)過程中所受沖擊破壞，通過動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)和應(yīng)力-能量法得到空氣柱襯墊最大加速度-靜應(yīng)力曲線。試驗(yàn)結(jié)果顯示材料緩沖性和承載能力均隨著厚度增大而加強(qiáng)；跌落高度增大，包裝件所受沖擊載荷也隨之增大，研究結(jié)果可為空氣柱襯墊緩沖包裝設(shè)計(jì)方案提供計(jì)算依據(jù)。

[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]劉功, 宋海燕, 劉占勝, 等． 空氣墊緩沖包裝性能的研究[J]． 包裝與食品機(jī)械,2005,23(2)： 18-20．

[8]郭靜, 康勇剛． 充氣墊緩沖材料動(dòng)態(tài)沖擊性能評價(jià)[J]．包裝工程, 2014, 35(1)： 73-76．

[9]陳鳴, 彭雄奇, 石少卿, 等． 薄膜超彈性本構(gòu)模型及其在空氣墊中的應(yīng)用[J]． 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 48(6)：883-887．

[10]王慧． 空氣襯墊的緩沖防護(hù)機(jī)理與沖擊特性研究[D]．哈爾濱商業(yè)大學(xué), 2014．

[11]吳芳英, 范小平, 向紅, 等． 空氣墊靜態(tài)緩沖性能的數(shù)值模擬[J]． 包裝工程, 2015, 36(5)： 11-15．

[12]鄭小林, 任力強(qiáng)． 氣墊性能及平板玻璃緩沖包裝[J]．包裝工程, 1991, 12(2)： 62-64．

[13]劉占勝, 宋海燕, 李光, 等． 洗碗機(jī)的緩沖包裝[J]． 中國包裝, 2004, 24(1)： 97-98．

[14]王雪芬． 瓶裝產(chǎn)品的充氣袋包裝研究[D]． 江南大學(xué),2014．

[15]傅靜芳． 充氣墊作為小型家電緩沖包裝的可行性研究[J]． 包裝工程, 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

武漢大學(xué)開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（WHU-2016-KFSY-02）

陳梓垠（1995—)，女，湖北人，武漢大學(xué)碩士生，主攻運(yùn)輸包裝。

王玉龍（1965—），男，江蘇人，武漢大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)輸包裝、包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。