CN117634080A - 基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度‑静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，涉及产品包装设计的技术领域，包括获取被包装产品的信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度‑静应力曲线图；对最大加速度‑静应力曲线图进行抽象函数化处理，建立缓冲设计方程组，设置约束条件；代入参数信息，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线，映射到最大加速度‑静应力曲线图上，进一步确定了动态破坏区、过包装缓冲区、欠包装缓冲区、恰当包装缓冲区，将缓冲设计过程可视化；将恰当包装缓冲区内的缓冲材料性能参数作为备选设计参数，设计缓冲面积和体积，快速筛选出最优方案，同时满足缓冲、稳定性和减量化要求，设计过程更加准确、直观、高效。

Description

基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法

技术领域

本发明涉及产品包装设计的技术领域，更具体地，涉及一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法。

背景技术

产品从生产到开始使用要经过一系列的运输、保管、堆码和装卸过程，在任何过程中都会有外力作用在产品之上，使产品发生机械性损坏。为了防止产品遭受损坏，就要设法减小外力的影响，所谓缓冲包装就是指为减缓内装物受到冲击和振动，保护其免受损坏所采取的一定防护措施的包装。目前很多企业大都凭借经验选择缓冲包装的材料，并且存在过度保护的情况，即对产品保护性超过了产品本身的需求，导致产品包装后尺寸过大，增加了包装材料用量、占用空间和运输成本。

缓冲包装设计是一个系统性、多目标、多约束的设计问题。传统的基于最大加速度-静应力曲线的缓冲包装设计方法中，由于最大加速度-静应力曲线是一个非规则的曲线形式，只能将最大加速度-静应力曲线采取图形化的方式进行展示，难以用具体函数的形式表达。这使得缓冲包装设计的过程比较抽象，整个设计过程的逻辑性不够清晰，设计人员难以理解，导致设计效率低，容易出现设计错误。

发明内容

本发明为克服上述现有技术设计缓冲包装时不准确，效率低，设计思路不清晰的缺陷，提供一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，通过对设计信息的处理和融合，将缓冲包装设计过程可视化，直观形象的反映出设计结果，提高缓冲包装设计的准确性和效率。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，包括：

S1：获取被包装产品的参数信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图；

S2：将所述最大加速度-静应力曲线图进行抽象函数化处理，获得最大加速度-静应力函数；

S3：根据静应力计算公式和所述最大加速度-静应力函数，建立缓冲设计方程组，并设置动态缓冲约束和局部缓冲失稳约束；

S4：将被包装产品的参数信息代入缓冲设计方程组、动态缓冲约束和临界失稳约束中，获得动态设计临界值、全面缓冲临界值和局部缓冲失稳临界值，并映射到最大加速度-静应力曲线图上，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线，并确定恰当包装缓冲区；

S5：将位于恰当包装缓冲区内的最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线、局部缓冲失稳临界线的所有交点对应的缓冲材料厚度和静应力参数作为备选设计参数；

S6：根据所述备选设计参数和被包装产品的参数信息，计算缓冲包装的缓冲面积和体积；

S7：根据所述缓冲包装的体积值，确定缓冲包装的最优设计方案。

优选地，所述被包装产品的参数信息包括产品重量、产品脆值和产品底面尺寸。

产品脆值表示产品承受冲击时不发生破损所能承受的最大加速度。由于产品需要经过装卸、仓储、运输等环节以后才能从生产厂家到达使用方，在流通过程中产品往往会经受多次的不同强度的冲击，产品所具备的承受一定冲击加速度而不发生破损的能力就代表产品的易损性。

优选地，获取缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图的具体方法为：

通过实际测试法，将缓冲材料放在重锤下；将重锤提升至等效跌落高度后释放，对缓冲材料施加冲击载荷，模拟被包装产品跌落时缓冲材料受到冲击，获得一组最大加速度和静应力；改变重锤的重量，获得一系列对应的最大加速度和静应力；建立坐标系，以最大加速度为纵轴，静应力为横轴，将一系列对应的最大加速度和静应力相连，得到一条最大加速度-静应力曲线；

改变缓冲材料的厚度，重复上述过程，获得缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线，组成最大加速度-静应力曲线图。

跌落高度表征产品装卸条件的严酷程度，产品在装卸过程中，跌落的高度越大，产品发生破损的概率越高。

最大加速度-静应力曲线本质上表征的是以静应力为自变量，以最大加速度为因变量，以缓冲材料的厚度和跌落高度为参变量的材料缓冲性能规律。最大加速度-静应力曲线是一个非规则的曲线形式，难以用具体函数的形式表达，但关系是确定的，利用抽象函数表达确定关系。

优选地，所述最大加速度-静应力函数具体为：

G_m＝f(σ_st，T，H)

式中，G_m表示最大加速度，σ_st表示缓冲材料受到的静应力，T表示缓冲材料的厚度，H表示等效跌落高度，f(*)表示抽象函数。

优选地，所述步骤S3的具体方法为：

静应力计算公式为：

式中，σ_st表示缓冲材料受到的静应力，m表示产品重量，g表示重力加速度，A表示缓冲面积；

根据静应力公式推导出：

缓冲包装的第一设计目标是最大加速度不大于产品脆值，则最大加速度最大等于产品脆值，即G_m＝[G]；将最大加速度-静应力函数转化为：

[G]＝f(σ_st，T，H)

建立缓冲设计方程组：

根据缓冲包装的第一设计目标设置动态缓冲约束：

G_m≤[G]

缓冲包装的第二设计目标是包装体积减量化且缓冲包装稳定；

采用局部缓冲包装时，所述局部缓冲包装的缓冲面积小于全面缓冲包装的缓冲面积，所述局部缓冲包装包括双侧衬垫缓冲包装和四角衬垫缓冲包装；对于局部缓冲包装，单个缓冲衬垫的面积与按照缓冲设计方程组计算的缓冲面积关系分别为：

当局部缓冲包装为双侧衬垫缓冲包装时，满足

当局部缓冲包装为四角衬垫缓冲包装时，满足

根据第二设计目标设置局部缓冲失稳约束：

A_min≥(1.33T)²

式中，A_min表示局部缓冲包装的单衬垫最小缓冲面积。

优选地，所述步骤S4中，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线的具体方法为：

将产品脆值代入动态缓冲约束G_m≤[G]中，则产品脆值[G]作为动态设计临界值；在最大加速度-静应力曲线图中，过最大加速度G_m＝[G]作与横轴平行的直线，即为动态设计临界线；

根据产品底面尺寸计算产品底面面积，将产品底面面积作为全面缓冲包装时缓冲材料的缓冲面积；将全面缓冲包装时缓冲材料的缓冲面积代入静应力计算公式，获得全面缓冲包装时的最大静应力，作为全面缓冲临界值；在最大加速度-静应力曲线图中，过最大静应力作与纵轴平行的直线，即为全面缓冲临界线；

根据局部缓冲失稳约束和静应力计算公式，计算局部缓冲失稳临界线表达式：

当局部缓冲包装为双侧衬垫缓冲包装时，局部缓冲失稳临界线表达式为：

式中，σ_stc表示侧衬垫受到的静应力；

当局部缓冲包装为四角衬垫缓冲包装时，局部缓冲失稳临界线表达式为：

式中，σ_stj表示角衬垫受到的静应力；

将产品重量和缓冲材料不同厚度代入双侧衬垫缓冲包装和四角衬垫缓冲包装的局部缓冲失稳临界线表达式中，分别获得缓冲材料不同厚度下侧衬垫受到的静应力和角衬垫受到的静应力，即为该厚度下局部缓冲失稳临界值；

在最大加速度-静应力曲线图中，分别过每个σ_stc作与纵轴平行的直线，与对应厚度的最大加速度-静应力曲线相交，将各交点连接，获得侧衬垫失稳临界线；分别过每个σ_stj作与纵轴平行的直线，与对应厚度的最大加速度-静应力曲线相交，将各交点连接，获得角衬垫失稳临界线；

所述侧衬垫失稳临界线和角衬垫失稳临界线组成局部缓冲失稳临界线。

优选地，所述步骤S4中，确定恰当包装缓冲区的具体方法为：

在最大加速度-静应力曲线图中，所述动态设计临界线上方区域为动态破坏区，下方区域为动态安全区；

所述全面缓冲临界线左侧的动态安全区为过包装缓冲区，右侧的动态安全区为局部包装缓冲区；

所述局部缓冲失稳临界线右下方的局部包装缓冲区为欠包装缓冲区，左上方的局部包装缓冲区为恰当包装缓冲区。

动态设计临界线上方区域的最大加速度均大于产品脆值，故为动态破坏区，下方区域的最大加速度均小于产品脆值，为动态安全区；全面缓冲临界线左侧的静应力均小于全面缓冲包装时的最大静应力，则缓冲包装的缓冲面积大于被包装产品的底面面积，属于过度包装，所以全面缓冲临界线左侧的动态安全区虽然能保证被包装产品安全的缓冲要求，但会增加缓冲材料的用量，缓冲包装的体积过大，运输、仓储成本增加，故为过包装缓冲区；全面缓冲临界线右侧的静应力均大于全面缓冲包装时的最大静应力，则缓冲包装的缓冲面积小于被包装产品的底面面积，属于局部包装，且同时也能满足保证被包装产品安全的缓冲要求。但局部缓冲包装存在缓冲材料弯曲失稳的情况，因此进一步确定局部缓冲失稳临界线；在局部缓冲失稳临界线右下方的局部包装缓冲区，静应力均大于局部缓冲失稳临界值，会出现失稳的情况；因此局部缓冲失稳临界线左上方的局部包装缓冲区为恰当包装缓冲区，即全面缓冲临界线右侧、动态设计临界线下方与局部缓冲失稳临界线上方的扇形封闭区域为恰当包装缓冲区，此时既满足缓冲需求，也满足稳定性要求，并满足包装体积减量化要求。

优选地，所述步骤S6的具体方法为：

计算全面缓冲包装的缓冲面积和最小体积：

选择所述备选厚度中的最小备选厚度，与被包装产品的产品底面面积相乘，获得全面缓冲包装的最小缓冲体积，缓冲包装方式为全面缓冲包装；

计算局部缓冲包装的缓冲面积和体积：

在最大加速度-静应力曲线图的恰当包装缓冲区中，选择每个备选厚度对应的最大静应力，与被包装产品的产品重量计算缓冲面积，与对应的备选厚度相乘，获得局部缓冲包装的体积：

V_i＝A_i*T_i

式中，V_i表示第i个备选厚度对应的局部缓冲包装的体积，T_i表示第i个备选厚度，A_i表示第i个备选厚度对应的缓冲面积，σ_st，imax表示第i个备选厚度对应的最大静应力。

优选地，所述步骤S7的具体方法为：

将全面缓冲包装的最小体积和所有局部缓冲包装的体积进行比较，将所有体积中最小体积值对应的备选厚度作为最优厚度，确定对应的缓冲包装方式，获得缓冲包装的最优设计方案。

全面缓冲包装时，以被包装产品的底面面积作为缓冲材料的缓冲面积，则体积随厚度的增大而增大，当选择最小备选厚度时，对应的体积也为最小缓冲体积；而局部缓冲包装的缓冲面积虽然小于全面缓冲包装的缓冲面积，但厚度大于全面缓冲包装的最小备选厚度，需要进一步求体积后进行比较，确定最优设计方案。

本发明还提供了一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计系统，包括：

数据获取模块，用于获取被包装产品的参数信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图；

曲线抽象模块，用于将所述最大加速度-静应力曲线图进行抽象函数化处理，获得最大加速度-静应力函数；

缓冲设计方程与约束设置模块，用于根据静应力计算公式和所述最大加速度-静应力函数，建立缓冲设计方程组，并设置动态缓冲约束和局部缓冲失稳约束；

映射模块，用于将被包装产品的参数信息代入缓冲设计方程组、动态缓冲约束和临界失稳约束中，获得动态设计临界值、全面缓冲临界值和局部缓冲失稳临界值，并映射到最大加速度-静应力曲线图上，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线，并确定恰当包装缓冲区；

设计参数筛选模块，用于将位于恰当包装缓冲区内的最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线、局部缓冲失稳临界线的所有交点对应的缓冲材料厚度和静应力参数作为备选设计参数；

体积计算模块，用于根据所述备选设计参数和被包装产品的参数信息，计算缓冲包装的缓冲面积和体积；

最优设计方案确定模块，用于根据所述缓冲包装的体积值，确定缓冲包装的最优设计方案。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明首先获取被包装产品的参数信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图，对最大加速度-静应力曲线图进行抽象函数化处理，结合静应力计算公式，建立具体的缓冲设计方程组，并设置动态缓冲约束和局部缓冲失稳约束，将缓冲设计问题转化为不定方程组的求解问题；之后被包装产品的参数信息代入缓冲设计方程组、动态缓冲约束和临界失稳约束中，获得动态设计临界值、全面缓冲临界值和局部缓冲失稳临界值，并映射到最大加速度-静应力曲线图上，确定恰当包装缓冲区，使缓冲设计方程组的求解结果可视化，更加直观清晰；最后，将位于恰当包装缓冲区内的最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线、局部缓冲失稳临界线的所有交点对应的缓冲材料厚度和静应力参数作为备选设计参数，计算缓冲包装的缓冲面积和体积，进一步筛选出缓冲包装的最优设计方案。本发明将缓冲包装设计过程进行了数据融合和可视化处理，使设计逻辑更加清晰，使设计过程更加直观形象，获得设计方案更加准确，提高了设计效率。

附图说明

图1为实施例1所述的一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法的流程图；

图2为实施例2所述的缓冲材料的最大加速度-静应力曲线图；

图3为实施例2所述的临界线映射后的最大加速度-静应力曲线图；

图4为实施例3所述的一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计系统的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供了一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，如图1所示，包括：

S1：获取被包装产品的参数信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图；

S2：将所述最大加速度-静应力曲线图进行抽象函数化处理，获得最大加速度-静应力函数；

S3：根据静应力计算公式和所述最大加速度-静应力函数，建立缓冲设计方程组，并设置动态缓冲约束和局部缓冲失稳约束；

S4：将被包装产品的参数信息代入缓冲设计方程组、动态缓冲约束和临界失稳约束中，获得动态设计临界值、全面缓冲临界值和局部缓冲失稳临界值，并映射到最大加速度-静应力曲线图上，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线，并确定恰当包装缓冲区；

S5：将位于恰当包装缓冲区内的最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线、局部缓冲失稳临界线的所有交点对应的缓冲材料厚度和静应力参数作为备选设计参数；

S6：根据所述备选设计参数和被包装产品的参数信息，计算缓冲包装的缓冲面积和体积；

S7：根据所述缓冲包装的体积值，确定缓冲包装的最优设计方案。

在具体实施过程中，本实施例获取被包装产品的参数信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图，对最大加速度-静应力曲线图进行抽象函数化处理，结合静应力计算公式，建立具体的缓冲设计方程组，并设置动态缓冲约束和局部缓冲失稳约束，将缓冲设计问题转化为不定方程组的求解问题；之后被包装产品的参数信息代入缓冲设计方程组、动态缓冲约束和临界失稳约束中，获得动态设计临界值、全面缓冲临界值和局部缓冲失稳临界值，并映射到最大加速度-静应力曲线图上，确定恰当包装缓冲区，使缓冲设计方程组的求解结果可视化，更加直观清晰；最后，将位于恰当包装缓冲区内的最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线、局部缓冲失稳临界线的所有交点对应的缓冲材料厚度和静应力参数作为备选设计参数，计算缓冲包装的缓冲面积和体积，进一步筛选出缓冲包装的最优设计方案。本实施例将缓冲包装设计过程进行了数据融合和可视化处理，使设计逻辑更加清晰，使设计过程更加直观形象，获得设计方案更加准确，提高了设计效率。

实施例2

本实施例提供了一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，包括：

S1：获取被包装产品的参数信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图；

所述被包装产品的参数信息包括产品重量、产品脆值和产品底面尺寸；产品脆值表示产品承受冲击时不发生破损所能承受的最大加速度。由于产品需要经过装卸、仓储、运输等环节以后才能从生产厂家到达使用方，在流通过程中产品往往会经受多次的不同强度的冲击，产品所具备的承受一定冲击加速度而不发生破损的能力就代表产品的易损性。

获取缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图的具体方法为：

通过实际测试法，将缓冲材料放在重锤下；将重锤提升至等效跌落高度后释放，对缓冲材料施加冲击载荷，模拟被包装产品跌落时缓冲材料受到冲击，获得一组最大加速度和静应力；改变重锤的重量，获得一系列对应的最大加速度和静应力；建立坐标系，以最大加速度为纵轴，静应力为横轴，将一系列对应的最大加速度和静应力相连，得到一条最大加速度-静应力曲线；

改变缓冲材料的厚度，重复上述过程，获得缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线，组成最大加速度-静应力曲线图。

跌落高度表征产品装卸条件的严酷程度，产品在装卸过程中，跌落的高度越大，产品发生破损的概率越高。

S2：将所述最大加速度-静应力曲线图进行抽象函数化处理，获得最大加速度-静应力函数，具体为：

G_m＝f(σ_st,T,H)

式中，G_m表示最大加速度，σ_st表示缓冲材料受到的静应力，T表示缓冲材料的厚度，H表示等效跌落高度，f(*)表示抽象函数。

S3：根据静应力计算公式和所述最大加速度-静应力函数，建立缓冲设计方程组，并设置动态缓冲约束和局部缓冲失稳约束；具体方法为：

静应力计算公式为：

σ_st表示缓冲材料受到的静应力，m表示产品重量，g表示重力加速度，A表示缓冲面积；

根据静应力公式推导出：

缓冲包装的第一设计目标是最大加速度不大于产品脆值，则最大加速度最大等于产品脆值，即G_m＝[G]；将最大加速度-静应力函数转化为：

[G]＝f(σ_st，T，H)

建立缓冲设计方程组：

根据缓冲包装的第一设计目标设置动态缓冲约束：

G_m≤[G]

缓冲包装的第二设计目标是包装体积减量化且缓冲包装稳定；

采用局部缓冲包装时，所述局部缓冲包装的缓冲面积小于全面缓冲包装的缓冲面积，所述局部缓冲包装包括双侧衬垫缓冲包装和四角衬垫缓冲包装；对于局部缓冲包装，单个缓冲衬垫的面积与按照缓冲设计方程组计算的缓冲面积关系分别为：

当局部缓冲包装为双侧衬垫缓冲包装时，满足

当局部缓冲包装为四角衬垫缓冲包装时，满足

根据第二设计目标设置局部缓冲失稳约束：

A_min≥(1.33T)²

式中，A_min表示局部缓冲包装的单衬垫最小缓冲面积。

S4：将被包装产品的参数信息代入缓冲设计方程组、动态缓冲约束和临界失稳约束中，获得动态设计临界值、全面缓冲临界值和局部缓冲失稳临界值，并映射到最大加速度-静应力曲线图上，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线，并确定恰当包装缓冲区；具体方法为：

将产品脆值代入动态缓冲约束G_m≤[G]中，则产品脆值[G]作为动态设计临界值；在最大加速度-静应力曲线图中，过最大加速度G_m＝[G]作与横轴平行的直线，即为动态设计临界线；

根据产品底面尺寸计算产品底面面积，将产品底面面积作为全面缓冲包装时缓冲材料的缓冲面积；将全面缓冲包装时缓冲材料的缓冲面积代入静应力计算公式，获得全面缓冲包装时的最大静应力，作为全面缓冲临界值；在最大加速度-静应力曲线图中，过最大静应力作与纵轴平行的直线，即为全面缓冲临界线；

根据局部缓冲失稳约束和静应力计算公式，计算局部缓冲失稳临界线表达式：

当局部缓冲包装为双侧衬垫缓冲包装时，局部缓冲失稳临界线表达式为：

式中，σ_stc表示侧衬垫受到的静应力；

当局部缓冲包装为四角衬垫缓冲包装时，局部缓冲失稳临界线表达式为：

式中，σ_stj表示角衬垫受到的静应力；

将产品重量和缓冲材料不同厚度代入双侧衬垫缓冲包装和四角衬垫缓冲包装的局部缓冲失稳临界线表达式中，分别获得缓冲材料不同厚度下侧衬垫受到的静应力和角衬垫受到的静应力，即为该厚度下局部缓冲失稳临界值；

在最大加速度-静应力曲线图中，分别过每个σ_stc作与纵轴平行的直线，与对应厚度的最大加速度-静应力曲线相交，将各交点连接，获得侧衬垫失稳临界线；分别过每个σ_stj作与纵轴平行的直线，与对应厚度的最大加速度-静应力曲线相交，将各交点连接，获得角衬垫失稳临界线；

所述侧衬垫失稳临界线和角衬垫失稳临界线组成局部缓冲失稳临界线；

在最大加速度-静应力曲线图中，所述动态设计临界线上方区域为动态破坏区，下方区域为动态安全区；

所述全面缓冲临界线左侧的动态安全区为过包装缓冲区，右侧的动态安全区为局部包装缓冲区；

所述局部缓冲失稳临界线右下方的局部包装缓冲区为欠包装缓冲区，左上方的局部包装缓冲区为恰当包装缓冲区。

动态设计临界线上方区域的最大加速度均大于产品脆值，故为动态破坏区，下方区域的最大加速度均小于产品脆值，为动态安全区；全面缓冲临界线左侧的静应力均小于全面缓冲包装时的最大静应力，则缓冲包装的缓冲面积大于被包装产品的底面面积，属于过度包装，所以全面缓冲临界线左侧的动态安全区虽然能保证被包装产品安全的缓冲要求，但会增加缓冲材料的用量，缓冲包装的体积过大，运输、仓储成本增加，故为过包装缓冲区；全面缓冲临界线右侧的静应力均大于全面缓冲包装时的最大静应力，则缓冲包装的缓冲面积小于被包装产品的底面面积，属于局部包装，且同时也能满足保证被包装产品安全的缓冲要求。但局部缓冲包装存在缓冲材料弯曲失稳的情况，因此进一步确定局部缓冲失稳临界线；在局部缓冲失稳临界线右下方的局部包装缓冲区，静应力均大于局部缓冲失稳临界值，会出现失稳的情况；因此局部缓冲失稳临界线左上方的局部包装缓冲区为恰当包装缓冲区，即全面缓冲临界线右侧、动态设计临界线下方与局部缓冲失稳临界线上方的扇形封闭区域为恰当包装缓冲区，此时既满足缓冲需求，也满足稳定性要求，并满足包装体积减量化要求。

S5：将位于恰当包装缓冲区内的最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线、局部缓冲失稳临界线的所有交点对应的缓冲材料厚度和静应力参数作为备选设计参数；

S6：根据所述备选设计参数和被包装产品的参数信息，计算缓冲包装的缓冲面积和体积；具体方法为：

计算全面缓冲包装的缓冲面积和最小体积：

选择所述备选厚度中的最小备选厚度，与被包装产品的产品底面面积相乘，获得全面缓冲包装的最小缓冲体积，缓冲包装方式为全面缓冲包装；

计算局部缓冲包装的缓冲面积和体积：

在最大加速度-静应力曲线图的恰当包装缓冲区中，选择每个备选厚度对应的最大静应力，与被包装产品的产品重量计算缓冲面积，与对应的备选厚度相乘，获得局部缓冲包装的体积：

V_i＝A_i*T_i

式中，V_i表示第i个备选厚度对应的局部缓冲包装的体积，T_i表示第i个备选厚度，A_i表示第i个备选厚度对应的缓冲面积，σ_st，imax表示第i个备选厚度对应的最大静应力。

S7：根据所述缓冲包装的体积值，确定缓冲包装的最优设计方案，具体方法为：

将全面缓冲包装的最小体积和所有局部缓冲包装的体积进行比较，将所有体积中最小体积值对应的备选厚度作为最优厚度，确定对应的缓冲包装方式，获得缓冲包装的最优设计方案。

全面缓冲包装时，以被包装产品的底面面积作为缓冲材料的缓冲面积，则体积随厚度的增大而增大，当选择最小备选厚度时，对应的体积也为最小缓冲体积；而局部缓冲包装的缓冲面积虽然小于全面缓冲包装的缓冲面积，但厚度大于全面缓冲包装的最小备选厚度，需要进一步求体积后进行比较，确定最优设计方案。

在具体实施过程中，以具体实验方案对本实施例的方法进行解释：

被包装产品的产品重量为500N，底面尺寸为30cm×30cm，产品脆值为60；等效跌落高度为60cm，利用实际测试法分别测试缓冲材料的厚度T为2cm，3cm，4cm，5cm，6cm，7cm，8cm，10cm，15cm，18cm时的最大加速度和对应静应力，组成缓冲材料的最大加速度-静应力曲线图，如图2所示；

在图2中，过最大加速度G_m＝[G]作与横轴平行的直线，作为动态设计临界线，动态设计临界线的上方区域为动态破坏区，下方区域为动态安全区；

在全面缓冲包装时，产品底面面积等于缓冲材料的缓冲面积，则A＝300mm×300mm＝90000mm²，根据静应力计算公式，计算全面缓冲包装的静应力：

在图2中，过σ_st＝5.56kPa作与纵轴平行的直线，即为全面缓冲临界线，全面缓冲临界线左侧的动态安全区为过包装缓冲区，右侧的动态安全区为局部包装缓冲区；

根据局部缓冲失稳临界线表达式，计算不同厚度下的静应力：

当局部缓冲包装为双侧衬垫缓冲包装时：

当局部缓冲包装为四角衬垫缓冲包装时：

将T＝2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、10cm、15cm、18cm分别代入以上二式，获得对应的静应力：

厚度T(cm)	2	3	4	5	6	7	8	10	15	18
											侧垫σstc(kPa)	353.1	157	88	56.5	39.2	28.8	22.1	14.1	6.3	4.4
角垫σstj(kPa)	176.5	78.5	44.0	28.2	19.6	14.4	11.0	7.0	3.1	2.2

在图2中，分别以σ_stc＝353.1、157、88、56.5、39.2、28.8、22.1、14.1、63、4.4作与纵轴平行的直线，分别对应与T＝2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、10cm、15cm、18cm的最大加速度-静应力曲线相交，将交点连接起来，获得侧衬垫失稳临界线；利用同样的方法，获得角衬垫失稳临界线；侧衬垫失稳临界线和角衬垫失稳临界线组成局部缓冲失稳临界线；

最终获得如图3所示的临界线映射后的最大加速度-静应力曲线图。动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线包围的区域为恰当包装缓冲区；其中，动态设计临界线、全面缓冲临界线和角衬垫失稳临界线包围的区域能够进行角垫局部缓冲包装设计；动态设计临界线、全面缓冲临界线和侧衬垫失稳临界线包围的区域能够进行侧垫局部缓冲包装设计；而角衬垫失稳临界线和侧衬垫失稳临界线债见的区域，只能进行侧垫局部缓冲包装设计，不能进行角垫局部缓冲包装设计。

计算全面缓冲包装的缓冲面积和最小体积：

从图3中可以看出，动态设计临界线和全面缓冲临界线的交点位于厚度为4cm和5cm的最大加速度-静应力曲线之间，根据该交点与两条曲线的距离，估算最小备选厚度为4.8cm，则全面缓冲包装的最小体积为V＝4.8em×300mm×300mm＝4320cm³。

从图3中可以看出，位于恰当包装缓冲区中的备选厚度包括5cm、6cm、7cm、8cm、10cm、15cm，以备选厚度为6cm和7cm为例对计算局部缓冲包装的进行解释：

厚度为6cm时，最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线的交点对应的静应力值最大，且该交点在侧衬垫失稳临界线和角衬垫失稳临界线上方，可以直观判断该交点对应的设计方案，既可以做侧垫局部缓冲包装设计，也可以做角垫局部缓冲包装设计；进一步进行计算，从图3中可以看出，该交点对应的静应力为13kPa，则局部缓冲包装的缓冲面积为：

局部缓冲包装的体积为：V₁＝A₁T₁＝384.6×6＝2307.6cm³；

当配置为四角衬垫缓冲包装时，

稳定性校核：

当配置为双侧衬垫缓冲包装时，

稳定性校核：

因此，选用6cm厚度的缓冲材料时，可以进行四角衬垫缓冲包装，也可以进行双侧衬垫缓冲包装设计；

厚度为7cm时，最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线的交点对应的静应力值最大，且该交点在侧衬垫失稳临界线的上方，在角衬垫失稳临界线的下方，可以直观判断该交点对应的设计方案，只能做侧垫局部缓冲包装设计；进一步进行计算，从图3中可以看出，该交点对应的静应力为18kPa，则局部缓冲包装的缓冲面积为：

局部缓冲包装的体积为：V₂＝A₂T₂＝277.8×7＝1944.6cm³；

当配置为四角衬垫缓冲包装时，

稳定性校核：

当配置为双侧衬垫缓冲包装时，

稳定性校核：

因此，选用7cm厚度的缓冲材料时，仅可以进行双侧衬垫缓冲包装设计；

并进一步比较，7cm厚度、双侧衬垫缓冲包装设计的体积V₂＜6cm厚度、局部缓冲包装设计的体积V₁＜全面缓冲包装的最小体积；

利用相同的方法，计算所有备选厚度的局部缓冲包装的体积，并进行稳定性校核，将体积值最小时对应的备选厚度作为最优厚度，并确定对应的缓冲包装方式，获得缓冲包装的最优设计方案。

实施例3

本实施例提供了一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计系统，如图4所示，包括：

数据获取模块，用于获取被包装产品的参数信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图；

曲线抽象模块，用于将所述最大加速度-静应力曲线图进行抽象函数化处理，获得最大加速度-静应力函数；

缓冲设计方程与约束设置模块，用于根据静应力计算公式和所述最大加速度-静应力函数，建立缓冲设计方程组，并设置动态缓冲约束和局部缓冲失稳约束；

映射模块，用于将被包装产品的参数信息代入缓冲设计方程组、动态缓冲约束和临界失稳约束中，获得动态设计临界值、全面缓冲临界值和局部缓冲失稳临界值，并映射到最大加速度-静应力曲线图上，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线，并确定恰当包装缓冲区；

设计参数筛选模块，用于将位于恰当包装缓冲区内的最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线、局部缓冲失稳临界线的所有交点对应的缓冲材料厚度和静应力参数作为备选设计参数；

体积计算模块，用于根据所述备选设计参数和被包装产品的参数信息，计算缓冲包装的缓冲面积和体积；

最优设计方案确定模块，用于根据所述缓冲包装的体积值，确定缓冲包装的最优设计方案。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，其特征在于，包括：

S1：获取被包装产品的参数信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图；

S2：将所述最大加速度-静应力曲线图进行抽象函数化处理，获得最大加速度-静应力函数；

S3：根据静应力计算公式和所述最大加速度-静应力函数，建立缓冲设计方程组，并设置动态缓冲约束和局部缓冲失稳约束；

S4：将被包装产品的参数信息代入缓冲设计方程组、动态缓冲约束和临界失稳约束中，获得动态设计临界值、全面缓冲临界值和局部缓冲失稳临界值，并映射到最大加速度-静应力曲线图上，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线，并确定恰当包装缓冲区；

S5：将位于恰当包装缓冲区内的最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线、局部缓冲失稳临界线的所有交点对应的缓冲材料厚度和静应力参数作为备选设计参数；

S6：根据所述备选设计参数和被包装产品的参数信息，计算缓冲包装的缓冲面积和体积；

S7：根据所述缓冲包装的体积值，确定缓冲包装的最优设计方案。

2.根据权利要求1所述的基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，其特征在于，所述被包装产品的参数信息包括产品重量、产品脆值和产品底面尺寸。

3.根据权利要求2所述的基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，其特征在于，获取缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图的具体方法为：

通过实际测试法，将缓冲材料放在重锤下；将重锤提升至等效跌落高度后释放，对缓冲材料施加冲击载荷，模拟被包装产品跌落时缓冲材料受到冲击，获得一组最大加速度和静应力；改变重锤的重量，获得一系列对应的最大加速度和静应力；建立坐标系，以最大加速度为纵轴，静应力为横轴，将一系列对应的最大加速度和静应力相连，得到一条最大加速度-静应力曲线；

改变缓冲材料的厚度，重复上述过程，获得缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线，组成最大加速度-静应力曲线图。

4.根据权利要求3所述的基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，其特征在于，所述最大加速度-静应力函数具体为：

G_m＝f(σ_st,T,H)

式中，G_m表示最大加速度，σ_st表示缓冲材料受到的静应力，T表示缓冲材料的厚度，H表示等效跌落高度，f(*)表示抽象函数。

5.根据权利要求4所述的基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：

静应力计算公式为：

式中，σ_st表示缓冲材料受到的静应力，m表示产品重量，g表示重力加速度，A表示缓冲面积；

根据静应力公式推导出：

缓冲包装的第一设计目标是最大加速度不大于产品脆值，则最大加速度最大等于产品脆值，即G_m＝[G]；将最大加速度-静应力函数转化为：

[G]＝f(σ_st,T,H)

建立缓冲设计方程组：

根据缓冲包装的第一设计目标设置动态缓冲约束：

G_m≤[G]

缓冲包装的第二设计目标是包装体积减量化且缓冲包装稳定；

采用局部缓冲包装时，所述局部缓冲包装的缓冲面积小于全面缓冲包装的缓冲面积，所述局部缓冲包装包括双侧衬垫缓冲包装和四角衬垫缓冲包装；对于局部缓冲包装，单个缓冲衬垫的面积与按照缓冲设计方程组计算的缓冲面积关系分别为：

当局部缓冲包装为双侧衬垫缓冲包装时，满足

当局部缓冲包装为四角衬垫缓冲包装时，满足

根据第二设计目标设置局部缓冲失稳约束：

A_min≥(1.33T)²

式中，A_min表示局部缓冲包装的单衬垫最小缓冲面积。

6.根据权利要求5所述的基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线的具体方法为：

将产品脆值代入动态缓冲约束G_m≤[G]中，则产品脆值[G]作为动态设计临界值；在最大加速度-静应力曲线图中，过最大加速度G_m＝[G]作与横轴平行的直线，即为动态设计临界线；

根据产品底面尺寸计算产品底面面积，将产品底面面积作为全面缓冲包装时缓冲材料的缓冲面积；将全面缓冲包装时缓冲材料的缓冲面积代入静应力计算公式，获得全面缓冲包装时的最大静应力，将该最大静应力值作为全面缓冲临界值；在最大加速度-静应力曲线图中，过最大静应力作与纵轴平行的直线，即为全面缓冲临界线；

根据局部缓冲失稳约束和静应力计算公式，计算局部缓冲失稳临界线表达式：

当局部缓冲包装为双侧衬垫缓冲包装时，局部缓冲失稳临界线表达式为：

式中，σ_stc表示侧衬垫受到的静应力；

当局部缓冲包装为四角衬垫缓冲包装时，局部缓冲失稳临界线表达式为：

式中，σ_stj表示角衬垫受到的静应力；

将产品重量和缓冲材料不同厚度代入双侧衬垫缓冲包装和四角衬垫缓冲包装的局部缓冲失稳临界线表达式中，分别获得缓冲材料不同厚度下侧衬垫受到的静应力和角衬垫受到的静应力，即为该厚度下局部缓冲失稳临界值；

在最大加速度-静应力曲线图中，分别过每个σ_stc作与纵轴平行的直线，与对应厚度的最大加速度-静应力曲线相交，将各交点连接，获得侧衬垫失稳临界线；分别过每个σ_stj作与纵轴平行的直线，与对应厚度的最大加速度-静应力曲线相交，将各交点连接，获得角衬垫失稳临界线；

所述侧衬垫失稳临界线和角衬垫失稳临界线组成局部缓冲失稳临界线。

7.根据权利要求6所述的基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，确定恰当包装缓冲区的具体方法为：

在最大加速度-静应力曲线图中，所述动态设计临界线上方区域为动态破坏区，下方区域为动态安全区；

所述全面缓冲临界线左侧的动态安全区为过包装缓冲区，右侧的动态安全区为局部包装缓冲区；

所述局部缓冲失稳临界线右下方的局部包装缓冲区为欠包装缓冲区，左上方的局部包装缓冲区为恰当包装缓冲区。

8.根据权利要求7所述的基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，其特征在于，所述步骤S6的具体方法为：

计算全面缓冲包装的缓冲面积和最小体积：

选择所述备选厚度中的最小备选厚度，与被包装产品的产品底面面积相乘，获得全面缓冲包装的最小缓冲体积，缓冲包装方式为全面缓冲包装；

计算局部缓冲包装的缓冲面积和体积：

在最大加速度-静应力曲线图的恰当包装缓冲区中，选择每个备选厚度对应的最大静应力，与被包装产品的产品重量计算缓冲面积，与对应的备选厚度相乘，获得局部缓冲包装的体积：

V_i＝A_i*T_i

式中，V_i表示第i个备选厚度对应的局部缓冲包装的体积，T_i表示第i个备选厚度，A_i表示第i个备选厚度对应的缓冲面积，σ_st,imax表示第i个备选厚度对应的最大静应力。

9.根据权利要求8所述的基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计方法，其特征在于，所述步骤S7的具体方法为：

将全面缓冲包装的最小体积和所有局部缓冲包装的体积进行比较，将所有体积中最小体积值对应的备选厚度作为最优厚度，确定对应的缓冲包装方式，获得缓冲包装的最优设计方案。

10.一种基于加速度-静应力曲线的缓冲包装信息融合设计系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取被包装产品的参数信息和缓冲材料在不同厚度下的最大加速度-静应力曲线图；

曲线抽象模块，用于将所述最大加速度-静应力曲线图进行抽象函数化处理，获得最大加速度-静应力函数；

缓冲设计方程与约束设置模块，用于根据静应力计算公式和所述最大加速度-静应力函数，建立缓冲设计方程组，并设置动态缓冲约束和局部缓冲失稳约束；

映射模块，用于将被包装产品的参数信息代入缓冲设计方程组、动态缓冲约束和临界失稳约束中，获得动态设计临界值、全面缓冲临界值和局部缓冲失稳临界值，并映射到最大加速度-静应力曲线图上，获得动态设计临界线、全面缓冲临界线和局部缓冲失稳临界线，并确定恰当包装缓冲区；

设计参数筛选模块，用于将位于恰当包装缓冲区内的最大加速度-静应力曲线与动态设计临界线、局部缓冲失稳临界线的所有交点对应的缓冲材料厚度和静应力参数作为备选设计参数；

体积计算模块，用于根据所述备选设计参数和被包装产品的参数信息，计算缓冲包装的缓冲面积和体积；

最优设计方案确定模块，用于根据所述缓冲包装的体积值，确定缓冲包装的最优设计方案。