CN117634081A - 一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法和系统，方法包括获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，并建立缓冲包装设计方程组，缓冲包装设计方程组包括缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数‑最大应力曲线方程；对缓冲包装设计方程组添加不同的约束条件，并获取全面缓冲边界线和失稳临界线；最后对缓冲系数‑最大应力曲线图进行区域划分，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计；本发明将庞杂的、抽象的设计信息进行了信息融合和信息可视化处理，形成了缓冲包装可视化设计边界图，使缓冲包装设计具有了更加直观及形象的物理内涵，有利于专业人员准确、高效地进行多种不同形式包装的设计。
Description
技术领域
本发明涉及缓冲包装的设计技术领域，更具体地，涉及一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法和系统。
背景技术
随着现代物流运输的发展，对商品在物流过程中的包装保护性要求越来越高，尤其是对于易破损产品，更需要可靠的缓冲包装做防护。缓冲包装设计是一个系统性的设计问题，需要受到多种条件的约束，如需要综合考虑内装产品的特性(易损性、重量、大小、形状、重心位置等)、流通环境条件的严酷程度(如跌落高度、运输时的水平冲击及振动等)、缓冲材料性能，以及可靠性、经济性、方便性等多种影响因素，其本质上是多目标多约束的优化设计过程，这些约束条件对缓冲包装设计的影响程度也是不同的。
现有技术中公开了一种缓冲包装的设计方法，该技术方案的步骤包括：确定产品脆值和选用包装缓冲材料的动态缓冲特性，测定动态缓冲特性过程是将多种厚度的块状缓冲材料层分别施加冲击载荷，模拟产品跌落时缓冲材料受到的冲击，通过分组动态压缩试验的测试数据，获得最大加速度静应力曲线；确定设计参数，包括缓冲包装与产品的接触面积S，根据缓冲包装最佳厚度值与接触面积进行包装结构设计；尽管该现有技术可以通过测试分析得出包装使用的科学合理的极限参数，减少包装材料用量和体积，保证被包装产品避免损坏，但该方案的设计过程仍然是基于庞杂的、抽象的设计信息，缓冲包装的设计思路不够清晰，而且在面对多种形式的缓冲包装设计任务时，设计效率较低。
发明内容
本发明为克服上述现有技术在缓冲包装设计过程中由于信息庞杂抽象而导致的设计效率低的缺陷，提供一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法和系统，将庞杂的、抽象的设计信息进行了可视化处理，形成了缓冲包装可视化设计边界图，使缓冲包装设计具有了更加直观及形象的物理内涵，有利于专业人员准确、高效地进行多种不同形式包装的设计。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，包括以下步骤：
S1：获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，所述基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；
所述缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；
S2：根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；
S3：对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；
所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；
S4：根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计。
优选地，所述步骤S1中，产品特性参数包括：产品重量、产品脆值和产品底面积；所述流通环境特性参数包括：产品装卸过程中的等效跌落高度。
优选地，所述步骤S2中根据基本参数建立缓冲包装设计方程组的具体方法为：
基于以下条件，根据基本参数建立缓冲包装设计方程组：
在缓冲包装的缓冲衬垫所承受的最大加速度Gm不超过产品脆值[G]的前提下，要求缓冲衬垫能够吸收产品在等效跌落高度所具有的势能；
所述缓冲包装设计方程组具体为：
所述缓冲衬垫面积方程具体为：
其中，A为缓冲包装的缓冲衬垫面积；W为产品重量；[G]为产品脆值；σm为缓冲材料承受的最大冲击应力；
所述缓冲衬垫厚度方程具体为：
其中，T为缓冲包装的缓冲衬垫厚度；C为缓冲材料的缓冲系数；H为产品装卸过程中的等效跌落高度；
所述缓冲系数-最大应力曲线方程具体为：
C＝f(σm)
其中，f(·)表示缓冲材料的缓冲系数与最大冲击应力之间的非线性关系函数。
优选地，所述步骤S3中，对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线的具体方法为：
获取全面缓冲边界线时，预设的约束条件为：全面缓冲包装的面积Aall满足Aall＝A底，A底为产品底面积；
将全面缓冲包装的面积Aall代入所述缓冲衬垫面积方程，获取全面缓冲包装对应的最大冲击应力σall；
在缓冲系数-最大应力曲线图中，以全面缓冲包装对应的最大冲击应力σall为横坐标作垂线，则垂线σm＝σall即为所述全面缓冲边界线；
在缓冲系数-最大应力曲线图中，所述全面缓冲边界线与每条缓冲系数-最大应力曲线的交点为各个缓冲材料对应的全面缓冲设计点。
优选地，所述步骤S3中，对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取侧垫失稳临界线的具体方法为：
获取侧垫失稳临界线时，预设的约束条件为：缓冲包装的缓冲衬垫包括2个侧垫，此时缓冲衬垫面积A的侧垫失稳临界值为：A＝3.54T2；
将缓冲衬垫面积A的侧垫失稳临界值代入所述缓冲包装设计方程组中，获取侧垫失稳临界方程：
C2＝Kcσm -1
其中，Kc为侧垫失稳临界方程系数，满足
在缓冲系数-最大应力曲线图中作出所述侧垫失稳临界方程的曲线图，获取所述侧垫失稳临界线。
优选地，所述步骤S3中，对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取角垫失稳临界线的具体方法为：
获取角垫失稳临界线时，预设的约束条件为：缓冲包装的缓冲衬垫包括4个角垫，此时缓冲衬垫面积A的角垫失稳临界值为：A＝7.08T2；
将缓冲衬垫面积A的角垫失稳临界值代入所述缓冲包装设计方程组中，获取角垫失稳临界方程：
C2＝Kjσm -1
其中，Kj为角垫失稳临界方程系数，满足
在缓冲系数-最大应力曲线图中作出所述角垫失稳临界方程的曲线图，获取所述角垫失稳临界线。
优选地，所述步骤S4中，区域划分结果包括：过包装缓冲区、局部缓冲区、欠包装缓冲区和恰当包装缓冲区。
优选地，在缓冲系数-最大应力曲线图中，所述过包装缓冲区为全面缓冲边界线的左侧区域，且满足缓冲衬垫面积A＞A底，最大冲击应力
所述局部缓冲区为全面缓冲边界线的右侧区域，且满足缓冲衬垫面积A＜A底，最大冲击应力
所述欠包装缓冲区为失稳临界线的右侧区域；
所述恰当包装缓冲区为全面缓冲边界线与失稳临界线的中间区域。
本发明还提供一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计系统，应用上述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，包括：
数据获取单元：用于获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，所述基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；
所述缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；
方程组建立单元：用于根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；
边界线获取单元：用于对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；
所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；
缓冲包装设计单元：用于根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计。
本发明还提供一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法和系统，首先获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；最后根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计；
本发明将缓冲包装跌落冲击设计所涉及的产品特性、流通环境特性以及衬垫动态性能设计准则相结合，经过处理后在缓冲系数-最大应力曲线图中进行了映射及可视化，通过设计信息的融合得到了缓冲包装可视化设计边界图，基于该可视化设计边界图可以进行多种方案的缓冲包装跌落冲击设计；本发明的提出，将庞杂的、抽象的设计信息进行了可视化处理，使缓冲包装设计具有了更加直观及形象的物理内涵，使缓冲包装设计思路清晰、各步骤物理含义明确，有利于专业人员准确、高效地进行多种不同形式缓冲包装的设计。
附图说明
图1为实施例1所提供的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法流程图。
图2为实施例2所提供的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法架构图。
图3为实施例2所提供的缓冲系数-最大应力曲线图。
图4为实施例2所提供的缓冲系数-最大应力曲线图的区域划分结果示意图。
图5为实施例3所提供的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计系统结构图。
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
如图1所示，本实施例提供一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，包括以下步骤：
S1：获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，所述基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；
所述缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；
S2：根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；
S3：对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；
所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；
S4：根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计。
在具体实施过程中，首先获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；最后根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计；
本方法将缓冲包装跌落冲击设计所涉及的产品特性、流通环境特性以及衬垫动态性能设计准则相结合，经过处理后在缓冲系数-最大应力曲线图中进行了映射及可视化，通过设计信息的融合得到了缓冲包装可视化设计边界图，基于该可视化设计边界图可以进行多种方案的缓冲包装跌落冲击设计；本方法的提出，将庞杂的、抽象的设计信息进行了可视化处理，使缓冲包装设计具有了更加直观及形象的物理内涵，使缓冲包装设计思路清晰、各步骤物理含义明确，有利于专业人员准确、高效地进行多种不同形式缓冲包装的设计。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，包括以下步骤：
S1：获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，所述基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；
所述缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；
S2：根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；
S3：对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；
所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；
S4：根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计；
所述步骤S1中，产品特性参数包括：产品重量、产品脆值和产品底面积；所述流通环境特性参数包括：产品装卸过程中的等效跌落高度；
所述步骤S2中根据基本参数建立缓冲包装设计方程组的具体方法为：
基于以下条件，根据基本参数建立缓冲包装设计方程组：
在缓冲包装的缓冲衬垫所承受的最大加速度Gm不超过产品脆值[G]的前提下，要求缓冲衬垫能够吸收产品在等效跌落高度所具有的势能；
所述缓冲包装设计方程组具体为：
所述缓冲衬垫面积方程具体为：
其中，A为缓冲包装的缓冲衬垫面积；W为产品重量；[G]为产品脆值；σm为缓冲材料承受的最大冲击应力；
所述缓冲衬垫厚度方程具体为：
其中，T为缓冲包装的缓冲衬垫厚度；C为缓冲材料的缓冲系数；H为产品装卸过程中的等效跌落高度；
所述缓冲系数-最大应力曲线方程具体为：
C＝f(σm)
其中，f(·)表示缓冲材料的缓冲系数与最大冲击应力之间的非线性关系函数；
所述步骤S3中，对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线的具体方法为：
获取全面缓冲边界线时，预设的约束条件为：全面缓冲包装的面积Aall满足Aall＝A底，A底为产品底面积；
将全面缓冲包装的面积Aall代入所述缓冲衬垫面积方程，获取全面缓冲包装对应的最大冲击应力σall；
在缓冲系数-最大应力曲线图中，以全面缓冲包装对应的最大冲击应力σall为横坐标作垂线，则垂线σm＝σall即为所述全面缓冲边界线；
在缓冲系数-最大应力曲线图中，所述全面缓冲边界线与每条缓冲系数-最大应力曲线的交点为各个缓冲材料对应的全面缓冲设计点；
所述步骤S3中，对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取侧垫失稳临界线的具体方法为：
获取侧垫失稳临界线时，预设的约束条件为：缓冲包装的缓冲衬垫包括2个侧垫，此时缓冲衬垫面积A的侧垫失稳临界值为：A＝3.54T2；
将缓冲衬垫面积A的侧垫失稳临界值代入所述缓冲包装设计方程组中，获取侧垫失稳临界方程：
C2＝Kcσm -1
其中，Kc为侧垫失稳临界方程系数，满足
在缓冲系数-最大应力曲线图中作出所述侧垫失稳临界方程的曲线图，获取所述侧垫失稳临界线；
所述步骤S3中，对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取角垫失稳临界线的具体方法为：
获取角垫失稳临界线时，预设的约束条件为：缓冲包装的缓冲衬垫包括4个角垫，此时缓冲衬垫面积A的角垫失稳临界值为：A＝7.08T2；
将缓冲衬垫面积A的角垫失稳临界值代入所述缓冲包装设计方程组中，获取角垫失稳临界方程：
C2＝Kjσm -1
其中，Kj为角垫失稳临界方程系数，满足
在缓冲系数-最大应力曲线图中作出所述角垫失稳临界方程的曲线图，获取所述角垫失稳临界线；
所述步骤S4中，根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果的具体方法为：
所述区域划分结果包括：过包装缓冲区、局部缓冲区、欠包装缓冲区和恰当包装缓冲区；
在缓冲系数-最大应力曲线图中，所述过包装缓冲区为全面缓冲边界线的左侧区域，且满足缓冲衬垫面积A＞A底，最大冲击应力
所述局部缓冲区为全面缓冲边界线的右侧区域，且满足缓冲衬垫面积A＜A底，最大冲击应力
所述欠包装缓冲区为失稳临界线的右侧区域；
所述恰当包装缓冲区为全面缓冲边界线与失稳临界线的中间区域。
在具体实施过程中，首先通过测试，获得产品重量W、脆值[G]、产品底面积A底等参数、产品装卸过程中的跌落高度H，以及如图3所示的缓冲材料的不同密度的缓冲系数-最大应力曲线(C-σm)图；
在本实施例中，脆值[G]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；
跌落高度H：产品在装卸过程中可能发生跌落冲击，跌落时的高度越大，产品发生破损的概率越高，一般用跌落高度H表征产品装卸条件的严酷程度；
缓冲系数-最大应力曲线图C-σm：缓冲系数-最大应力曲线是缓冲材料缓冲性能的一种表征方式；缓冲材料一般为较软的材料，缓冲材料在承受冲击时，吸收的冲击能量转化为材料的变形能e，但要相应的承受应力σm，这个应力σm除以e便性能就是缓冲系数C；形象的解释为，缓冲材料要吸收冲击能量，必须付出一定的代价，这里的代价就是应力，因此缓冲系数C是一个综合反映缓冲材料吸能特性的参数；
根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；
a)基于最大冲击应力的衬垫面积计算：当质量为m的产品承受最大冲击力F时，衬垫承受了最大的冲击应力σm，最大冲击力用内装物质量乘上最大加速度Gm代替，则可推导出缓冲衬垫面积计算公式：
Gm为衬垫承受的最大加速度，应满足Gm≤[G]，引入最优设计思想，令Gm＝[G]，则上式转换为：
其中，A为缓冲衬垫面积，这里缓冲面积的意义是缓冲衬垫中起缓冲作用的面积；这是因为缓冲衬垫不仅要起缓冲作用，还有对产品的固定作用、方便包装及取出的功能等，缓冲衬垫上完成这些功能的部位是不起缓冲作用的，因此这部分材料不计入缓冲面积中；
b)基于吸能理论的衬垫厚度设计：
按照能量等效理论，包装件在高度为H处的势能等于缓冲衬垫的弹性变形能，如下式所示：
式中，w为产品重量，H为包装件跌落高度，A为衬垫的面积，T为衬垫的厚度，为单位体积变形能(单位体积缓冲材料在压缩变形过程中吸收的能量)；由上式可得衬垫的厚度为：
又由于缓冲系数定义为：
因此，单位体积变形能为：
结合上述式子可得：
本实施例中缓冲衬垫的面积A和厚度T是按照缓冲材料压缩变形吸收能量的原理进行计算的，是满足缓冲吸能要求最基本的面积和厚度；一个完整的缓冲包装，还需要进行其它的功能设计，如为了内装物及衬垫快捷打包及取出的结构设计、起连接作用的结构设计等；
c)缓冲系数-最大应力曲线的通用函数表达式：
基于a)和b)中的公式，产品重量W、产品脆值[G]和跌落高度H均是由产品特性和环境特性决定的，对于包装设计人员来讲，这三个因素属于客观因素，可以通过测试的方式或经验值获取；衬垫面积A和衬垫厚度T是需要设计确定的，缓冲系数C和最大应力σm则需要通过缓冲材料的性能曲线选择确定，那么在方程组中，就有4个未知参数需要确定；缓冲系数C与最大应力σm的关系常用缓冲系数-最大应力曲线C-σm表示，C-σm曲线呈非线性关系，很难用简单的函数关系描述，但对于确定的缓冲材料，C-σm曲线的关系又是确定的，因此我们用通用函数C＝f(σm)表达这种确定的关系，其物理内涵是指进行缓冲衬垫的面积和厚度计算时，缓冲材料的性能参数必须从C-σm曲线上选取，对于图3中给出了同一种材料不同密度的缓冲系数-最大应力曲线，则表示进行缓冲设计时可以考虑该材料不同的密度时的性能；
最终结合a)～c)获取缓冲包装设计方程组：
对于建立的缓冲包装设计方程组，要确定4个未知参数，约束条件仍然不够，满足条件的解不是唯一的，正是这种满足条件解的不确定性，使我们进行缓冲包装设计时，有了多种选择方案；在进行缓冲包装设计时，施加不同的约束条件，可以获得不同的缓冲包装设计结果；
结合上述推导过程可知，上述缓冲包装设计方程组是基于以下条件：在缓冲包装的缓冲衬垫所承受的最大加速度Gm不超过产品脆值[G]的前提下，要求缓冲衬垫能够吸收产品在等效跌落高度所具有的势能；这是满足缓冲包装的最基本要求，也就是保护性要求，满足这种要求的解是不确定的、不唯一的，正是这种不确定性、不唯一性，使我们能够进行多种方案的设计；施加的约束条件不同，则得到的设计方案是不同的；
之后对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息融合及信息可视化将约束条件向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；
全面缓冲包装的面积Aall等于内装产品的底面积A底，将Aall代入公式，可求出全面缓冲包装设计时的最大应力σall，则在缓冲系数-最大应力曲线图中以该最大应力σall为横坐标作垂线，可得到全面缓冲边界线；σm＝σall在缓冲系数-最大应力曲线图中对应的垂直线，就是全面缓冲这个约束条件在缓冲系数-最大应力曲线图上的映射，各曲线与该边界线的交点就是各自对应的全面缓冲设计点；
缓冲包装的材料大多属于比较柔软的材料，若缓冲衬垫过厚，面积过小则容易发生失稳现象，失稳的判据为：Amin≥(1.33T)2，其中Amin为最小缓冲垫的面积，若局部缓冲衬垫选用两个侧衬垫，则Amin为缓冲面积A的二分之一；若局部缓冲衬垫选用四个角衬垫，则Amin为缓冲面积A的四分之一，因此，失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；
由于衬垫失稳的临界值为Amin＝(1.33T)2，因此若衬垫选用两个侧垫，则有：
将上式与缓冲包装设计方程组联立，消去缓冲面积A与缓冲厚度T可得：
C2＝Kcσm -1
其中，若已知材料的缓冲系数-最大应力曲线，则可以在该曲线图中做出C2＝Kcσm -1所示曲线，即为侧垫失稳临界线；
同理，若衬垫选用四个角垫，则有：
C2＝Kjσm -1
其中，角垫失稳临界线始终在侧垫失稳临界线的右下方，其物理含义为：角衬垫需要将总的缓冲面A积分成四份，因此满足稳定性需要更大的缓冲面积A，缓冲系数-最大应力曲线图中越靠右的应力越小，按照公式/>计算总的缓冲面积A越大；
最后根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计；
如图4所示，所述区域划分结果包括：过包装缓冲区、局部缓冲区、欠包装缓冲区和恰当包装缓冲区；
在缓冲系数-最大应力曲线图中，全面缓冲边界线左边的区域，其应力要小于σall，该区域对应的缓冲包装的面积要大于内装产品的底面积A底，属于过包装缓冲区域，不仅使用的材料用量会增加，缓冲包装的体积也大，运输、仓储等费用也会增加，不是优先选用的区域；在过包装缓冲区，衬垫的缓冲面积A>Aall；
全面缓冲包装消耗材料多，占用运输及仓储空间大，目前常用局部缓冲包装；局部包装缓冲区位于全面缓冲边界线右侧，局部缓冲包装的总缓冲面积Apart要小于全面缓冲包装的缓冲面积Aall，在此区域缓冲面积小于产品的底面积，缓冲材料用量少，包装体积较小；局部缓冲包装仍然要满足缓冲包装设计方程组的要求，考虑到缓冲衬垫在包装箱内的固定要求，局部缓冲衬垫一般设计为成对的侧垫，或四个角衬垫的形式；在局部缓冲区，衬垫总的缓冲面积Apart<Aall；
在失稳临界线右侧的区域，产品承受的最大应力较大，缓冲面积更小，缓冲衬垫厚度更大；该区域属于欠包装缓冲区，若在该区域选择缓冲系数-最大应力曲线上的数据进行缓冲包装设计，缓冲衬垫会发生失稳失效行为，该区域称作欠包装缓冲区域；
在全面缓冲边界线与失稳临界曲线中间的区域，利用缓冲曲线夹在这个区间的数据进行缓冲包装设计，既满足缓冲要求，也满足稳定性要求及减量化设计要求，该区域称为恰当包装缓冲区；
本实施例还提供了方法的具体应用实例：
例如，获取到的基本参数为：产品重量为100N，产品的脆值为50g，底面尺寸为600mm×400mm；流通环境特性：等效跌落高度为800mm；缓冲材料特性：选用的缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线如图3所示；
根据上述基本参数进行以下缓冲包装的设计：1)采用全面缓冲方法，求需要的缓冲材料厚度；2)若选择局部缓冲包装，缓冲垫为两个侧垫，则按照稳定性准则，确定侧垫失稳临界曲线；3)若选择局部缓冲包装，缓冲垫为四个角垫，则按照稳定性准则，确定角垫失稳临界曲线；4)若选择⑤号曲线进行局部缓冲设计，按照最小缓冲系数法进行设计，给出局部缓冲面积及厚度的计算结果，并进行稳定性校核；5)若按照2个侧衬垫进行缓冲包装设计，给出衬垫面积最小的设计结果；6)若按照4个角衬垫进行缓冲包装设计，给出衬垫面积最小的设计结果；
1)全面缓冲的缓冲面积Aall等于产品的底面积240000mm2，则产品及衬垫承受的最大应力为：
在图4中，以最大应力20.8kPa为横坐标做垂线，与其相交的缓冲系数最小的曲线是④号曲线，因此选用④号曲线的交点D，其对应的C＝5.4；则衬垫厚度为：
因此，全面缓冲选用④号曲线表示的缓冲材料，材料的厚度为86.4mm；过σm＝20.8kPa的垂线，称为全面缓冲边界线，左侧区域为过包装缓冲区，右侧区域为局部缓冲区；全面缓冲边界线和①、②、③、⑤曲线的交点对应的C值要大于5.4，因此如果选用其它曲线，则缓冲衬垫的厚度要更大，不符合减量化和优化设计的理念；
2)双侧垫的失稳临界曲线公式为：
C2＝Kcσm -1
其中将W＝100N，[G]＝50，H＝0.8m代入上式可得，K＝5.5×106，则上式为：C2＝5.5×106σm -1，则可在缓冲系数-最大应力曲线图中做出该曲线，该曲线为侧垫失稳临界曲线，曲线右侧应力大，缓冲面积进一步减少，衬垫厚度增加，发生冲击时的压缩变形量增加，是衬垫容易发生失稳的区域，我们称之为欠包装区域；
3)四个角垫的失稳临界曲线公式为：
C2＝Kjσm -1
其中将W＝100N，[G]＝50，H＝0.8m代入可得，K＝2.76×106，则式(1)为：C2＝2.76×106σm -1，则可在缓冲系数-最大应力曲线图中做出该曲线，该曲线则为角垫失稳临界曲线，位于侧垫失稳临界曲线的右下侧；
4)图中⑤号曲线的最小缓冲系数及对应的最大应力为：C＝5.7，σm＝30(kPa)，缓冲面积为：
缓冲厚度为：
按照两个侧衬垫进行稳定性校核：
(1.33T)2＝(1.33×91.2)2＝14712mm2
Amin≥(1.33T)2
分析可知，越过缓冲系数最低点后，最大应力的增加会导致缓冲面积的减少，缓冲系数的增加则会导致缓冲厚度增大，这无疑会导致缓冲衬垫的稳定性降低；
5)侧垫失稳临界线与⑤号曲线的交点为F，其对应的缓冲系数及最大应力为：C＝7.6，σm＝95(kPa)，
缓冲面积为：
缓冲厚度为：
按照两个侧衬垫进行稳定性校核：
(1.33T)2＝(1.33×121.6)2＝26156mm2
Amin≈(1.33T)2
按照侧垫失稳临界线与⑤号曲线的交点设计缓冲衬垫，总的缓冲面积为52600mm2，若选择两个侧垫的方案设计缓冲包装，每个侧垫的缓冲面积为26300mm2，Amin刚好等于(1.33T)2；这里Amin与(1.33T)2的偏差主要是由于从曲线中读数误差造成的；
过了侧垫失稳临界线与⑤号曲线的交点后，⑤号曲线的应力会增加，C值也会增加，这将导致缓冲面积的进一步减小和衬垫厚度的进一步增加，使稳定性关系不再成立；
6)角垫失稳临界线与⑤号曲线的交点为B，其对应的缓冲系数及最大应力为：C＝6.5，σm＝65(kPa)，
缓冲面积为：
缓冲厚度为：
按照四个角衬垫进行稳定性校核：
(1.33T)2＝(1.33×104)2＝19132mm2
Amin≈(1.33T)2
按照角垫失稳临界线与⑤号曲线的交点设计缓冲衬垫，总的缓冲面积为76923mm2，若选择四个角垫的设计缓冲包装，每个角垫的缓冲面积为19231mm2，Amin约等于(1.33T)2；这里Amin刚好等于(1.33T)2的偏差主要是由于从曲线中读数误差造成的；
过了角垫失稳临界线与⑤号曲线的交点后，⑤号曲线的应力会增加，C值也会增加，这将导致缓冲面积的减小和衬垫厚度的增加，使稳定性关系不再成立；因此角垫失稳临界线与⑤号曲线的交点，就是角垫设计方案缓冲面积最小设计点；
本方法将产品的重量W、脆值[G]与流通环境的跌落高度H及缓冲材料的缓冲系数-最大应力等要素融合，基于动强度设计准则(产品跌落冲击过程中的最大加速度Gm≤[G])与能量等效准则(产品在高度H所具备的势能mgH等于缓冲垫的被冲击过程中吸收的能量)，推导得到了缓冲包装设计方程组，从而将缓冲设计设计问题归结为不定方程组的求解问题；之后将产品底面积A作为约束条件，联合缓冲包装设计方程组获得了全面缓冲边界线；将衬垫的稳定性准则作为约束条件，联合缓冲设计方程组，推导得到了侧垫失稳临界函数及角垫失稳临界函数；进一步可得到侧垫失稳临界线及角垫失稳临界线；最后将包装减量化设计作为约束条件，通过全面缓冲边界线、侧垫失稳临界线得到了过包装缓冲区、欠包装缓冲区、恰当包装缓冲区、局部包装缓冲区，使缓冲系数-最大应力曲线图中的每一个区域都有了明确的物理含义；
本方法将缓冲包装跌落冲击设计所涉及的产品特性、流通环境特性以及衬垫动态性能设计准则相结合，经过处理后在缓冲系数-最大应力曲线图中进行了映射及可视化，通过设计信息的融合得到了缓冲包装可视化设计边界图，基于该可视化设计边界图可以进行多种方案的缓冲包装跌落冲击设计；本方法的提出，将庞杂的、抽象的设计信息进行了可视化处理，使缓冲包装设计具有了更加直观及形象的物理内涵，使缓冲包装设计思路清晰、各步骤物理含义明确，有利于专业人员准确、高效地进行多种不同形式缓冲包装的设计。
实施例3
如图5所示，本实施例提供一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计系统，应用实施例1或2所述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，包括：
数据获取单元301：用于获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，所述基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；
所述缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；
方程组建立单元302：用于根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；
边界线获取单元303：用于对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；
所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；
缓冲包装设计单元304：用于根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计。
在具体实施过程中，首先数据获取单元301获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；方程组建立单元302根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；边界线获取单元303对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；最后缓冲包装设计单元304根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计；
本系统将缓冲包装跌落冲击设计所涉及的产品特性、流通环境特性以及衬垫动态性能设计准则相结合，经过处理后在缓冲系数-最大应力曲线图中进行了映射及可视化，通过设计信息的融合得到了缓冲包装可视化设计边界图，基于该可视化设计边界图可以进行多种方案的缓冲包装跌落冲击设计；本系统将庞杂的、抽象的设计信息进行了可视化处理，使缓冲包装设计具有了更加直观及形象的物理内涵，使缓冲包装设计思路清晰、各步骤物理含义明确，有利于专业人员准确、高效地进行多种不同形式缓冲包装的设计。
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)
1.一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，所述基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；
所述缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；
S2：根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；
S3：对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；
所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；
S4：根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计。
2.根据权利要求1所述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，产品特性参数包括：产品重量、产品脆值和产品底面积；所述流通环境特性参数包括：产品装卸过程中的等效跌落高度。
3.根据权利要求2所述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，其特征在于，所述步骤S2中根据基本参数建立缓冲包装设计方程组的具体方法为：
基于以下条件，根据基本参数建立缓冲包装设计方程组：
在缓冲包装的缓冲衬垫所承受的最大加速度Gm不超过产品脆值[G]的前提下，要求缓冲衬垫能够吸收产品在等效跌落高度所具有的势能；
所述缓冲包装设计方程组具体为：
所述缓冲衬垫面积方程具体为：
其中，A为缓冲包装的缓冲衬垫面积；W为产品重量；[G]为产品脆值；σm为缓冲材料承受的最大冲击应力；
所述缓冲衬垫厚度方程具体为：
其中，T为缓冲包装的缓冲衬垫厚度；C为缓冲材料的缓冲系数；H为产品装卸过程中的等效跌落高度；
所述缓冲系数-最大应力曲线方程具体为：
C＝f(σm)
其中，f(·)表示缓冲材料的缓冲系数与最大冲击应力之间的非线性关系函数。
4.根据权利要求3所述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线的具体方法为：
获取全面缓冲边界线时，预设的约束条件为：全面缓冲包装的面积Aall满足Aall＝A底，A底为产品底面积；
将全面缓冲包装的面积Aall代入所述缓冲衬垫面积方程，获取全面缓冲包装对应的最大冲击应力σall；
在缓冲系数-最大应力曲线图中，以全面缓冲包装对应的最大冲击应力σall为横坐标作垂线，则垂线σm＝σall即为所述全面缓冲边界线；
在缓冲系数-最大应力曲线图中，所述全面缓冲边界线与每条缓冲系数-最大应力曲线的交点为各个缓冲材料对应的全面缓冲设计点。
5.根据权利要求3所述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取侧垫失稳临界线的具体方法为：
获取侧垫失稳临界线时，预设的约束条件为：缓冲包装的缓冲衬垫包括2个侧垫，此时缓冲衬垫面积A的侧垫失稳临界值为：A＝3.54T2；
将缓冲衬垫面积A的侧垫失稳临界值代入所述缓冲包装设计方程组中，获取侧垫失稳临界方程：
C2＝Kcσm -1
其中，Kc为侧垫失稳临界方程系数，满足
在缓冲系数-最大应力曲线图中作出所述侧垫失稳临界方程的曲线图，获取所述侧垫失稳临界线。
6.根据权利要求3所述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取角垫失稳临界线的具体方法为：
获取角垫失稳临界线时，预设的约束条件为：缓冲包装的缓冲衬垫包括4个角垫，此时缓冲衬垫面积A的角垫失稳临界值为：A＝7.08T2；
将缓冲衬垫面积A的角垫失稳临界值代入所述缓冲包装设计方程组中，获取角垫失稳临界方程：
C2＝Kjσm -1
其中，Kj为角垫失稳临界方程系数，满足
在缓冲系数-最大应力曲线图中作出所述角垫失稳临界方程的曲线图，获取所述角垫失稳临界线。
7.根据权利要求1～6任意一项中所述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，区域划分结果包括：过包装缓冲区、局部缓冲区、欠包装缓冲区和恰当包装缓冲区。
8.根据权利要求7所述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，其特征在于，在缓冲系数-最大应力曲线图中，所述过包装缓冲区为全面缓冲边界线的左侧区域，且满足缓冲衬垫面积A>A底，最大冲击应力
所述局部缓冲区为全面缓冲边界线的右侧区域，且满足缓冲衬垫面积A<A底，最大冲击应力
所述欠包装缓冲区为失稳临界线的右侧区域；
所述恰当包装缓冲区为全面缓冲边界线与失稳临界线的中间区域。
9.一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计系统，应用权利要求1～8任意一项中所述的一种信息可视化的缓冲包装跌落冲击设计方法，其特征在于，包括：
数据获取单元：用于获取缓冲包装跌落冲击设计所需的基本参数，所述基本参数包括：产品特性参数、流通环境特性参数和缓冲系数-最大应力曲线图；
所述缓冲系数-最大应力曲线图包括若干种缓冲材料的缓冲系数-最大应力曲线；
方程组建立单元：用于根据所述基本参数建立缓冲包装设计方程组，所述缓冲包装设计方程组包括：缓冲衬垫面积方程、缓冲衬垫厚度方程和缓冲系数-最大应力曲线方程；
边界线获取单元：用于对所建立的缓冲包装设计方程组添加预设的约束条件，并通过信息可视化将添加了约束条件后的缓冲包装设计方程组向缓冲系数-最大应力曲线图映射，获取全面缓冲边界线和失稳临界线；
所述失稳临界线包括侧垫失稳临界线和角垫失稳临界线；
缓冲包装设计单元：用于根据全面缓冲边界线和失稳临界线对所述缓冲系数-最大应力曲线图进行区域划分，获取区域划分结果，根据区域划分结果进行不同方案缓冲包装的设计。
10.一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～8任意一项所述方法中的步骤。
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| CN117634081B (zh) | 2024-05-24 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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