包装缓冲与防振包装设计课件

包裝緩衝與防振包裝設計

（GB8166-87）一、一般要求減小傳遞到產品上的衝擊、振動等外力分散作用在產品上的應力保護產品的表面及凸起部分防止產品的相互接觸防止產品在包裝容器內移動第1節緩衝與防振包裝設計的六步法表面保護二、緩衝包裝設計要解決的問題選擇恰當的緩衝材料並確定其形狀和大小；對指定的材料確定其形狀和大小；比較若干不同品種的材料的緩衝效果；判斷現有包裝結構的合理性和可靠性；長期以來，緩衝包裝設計無完善的設計理論——缺乏定量評價手段——類比，模仿——“過包裝”或“欠包裝”！產品特性參數（許用脆值、形狀、大小、體積、重量、重心、數量等）；流通過程中的環境條件（運輸區間、運輸方式、裝卸次數、等效跌落高度、衝擊方向、氣候條件、貯存條件等）；包裝材料的特性；外包裝容器的性能狀況（結構、形狀、材質及強度）；封緘材料的特性包裝的工藝性其他的包裝方法（防水、防潮、放鏽、防塵等）。三、緩衝包裝設計考慮的因素四.緩衝包裝設計的基本數據流通環境數據：搬運、跌落次數，跌落高度，等效跌落高度，衝擊次數，衝擊強度，振動頻率等。產品脆值緩衝包裝介質的特性參數：彈性、阻尼、緩衝係數、傳遞率。五.五步法和六步法（1）確定環境條件；（2）確定產品脆值；（3）如發現產品脆值過低，應考慮重新設計產品的關鍵件結構，提高其脆值；（4)選擇緩衝材料；（5）設計原型包裝結構；（6）試驗評價原型包裝。第2節緩衝材料緩衝包裝：用緩衝材料或其他緩衝元件保護內容產品，避免過量衝擊而造成破損的一種技術。組成：外容器+緩衝介質層+內容產品（作為介質的緩衝包裝材料決定了緩衝包裝的主要因素）分類：纖維形結構：木屑，紙製品，紙漿模，紙屑，稻草，瓦楞紙等；動物纖維：毛皮，羊毛，羽毛，毛氈等；纖維類礦物纖維：石棉，玻璃纖維等；按品質分泡沫類天然泡沫材料：軟木等；合成泡沫材料：泡沫塑料，泡沫橡膠等；彈簧類：金屬絲彈簧，板彈簧，橡膠彈簧等；預製成型的各種墊片、墊塊、墊圈等；按物理形態分現場發泡；散狀填料，如紙屑，刨花等；對緩衝材料的要求1.良好的彈性和恢復性；2.良好的緩衝性能，能以較小的體積吸收較大的衝擊能量；3.良好的阻尼性能，以衰減包裝系統的振動能量，起隔振或減振作用；

4.成本低，容易採購；5.溫濕度穩定性；6.破碎和減耗性：緩衝體破損或粉碎——緩衝失效——破碎的遊粒進入製品———影響品質——破碎性越小越好；7.氫離子濃度：Ph值在6.2~8.0內，否則受潮後產生酸度——腐蝕製品8.化學穩定性：保持抵抗黴變、耐藥物、耐油污的能力；9.工藝性：加工性能（鑽孔、切割），熱熔性（澆鑄成型），不產生塵沫飛揚及刺激性氣味；10.吸潮性：吸潮，緩衝效果差，金屬腐蝕，吸潮性越小越好；11.廢棄性：廢棄物要易於處理，便於銷毀。

1緩衝材料的力學性質彈性是材料具有緩衝能力的基本條件。緩衝材料

線彈性材料非線彈性材料（一般緩衝材料都處於彈性、塑性和粘滯阻尼相交匯的流變狀態）緩衝材料的各種彈性狀態，可用力——變形曲線來表述。為提高材料的彈性，改善緩衝性能——對實體材料進行發泡發泡材料的特點：變形泊松比=0，即在受壓方向（縱向）變形時，橫向不變形；

——理想的緩衝襯墊重要的條件之一。實體則不同，如橡膠塊，變形泊松比=0.5。受拉伸和受壓縮時，變形情況與實體材料有很大不同。材料不同，發泡方法不同——氣泡的形狀、尺寸和分佈也就不同，導致同一材料變形的方向性差異。纖維材料或合成橡膠——彈性的方向性差異。1.1線彈性材料k是緩衝材料的彈性係數

E是緩衝材料的彈性模量

A表示垂直於外力F的材料截面積T表示材料未受力的起始厚度1.2正切型彈性材料k0為曲線在x→0時的斜率，稱初始彈性係數；db為材料的形變極限，在x→db時F→∞。正切函數型性質的緩衝材料：泡沫橡膠、棉花、乳膠海綿、碎紙、塗膠纖維以及預壓後的聚苯乙烯泡沫塑料等等。1.3雙曲正切型彈性材料k0為曲線的初始彈性係數；F0為力F的極限值瓦楞紙板、蜂窩板、聚苯乙烯泡沫塑料等塑性較大的材料在其受到外力作用的初期所表現的力學性質屬於這種類型。1.4三次函數型彈性材料k0為初始彈性係數，γ是彈性係數增加率。曲線偏離線彈性直線的速度越大，與之對應的材料也會變的越硬（γ>0）或越軟（γ<0）。硬軟吊裝彈簧結構和木屑、塑膠絲、塗膠纖維等材料均屬於這一類彈性體—滿足緩衝包裝的要求

1.5不規則型彈性材料大部分高分子發泡材料屬於這類彈性體。

2組合材料的力學性質在緩衝包裝中，發泡材料+瓦楞紙箱——共同起緩衝作用——組合方式很多——基本類型：疊置和並列2.1緩衝材料的疊置2.1.1線彈性材料(1)E的大小(2)E的範圍

設有＞

設＜

即E2<E<E1

E>E2E<E12.1.2非線彈性材料非線彈性材料，彈性係數k隨應力狀態而變化——根據兩種材料的應力應變曲線——求出組合應力應變曲線——採用選點法、剩差法或最小二乘法求初始彈性係數。(1)面積相同，厚度不同的材料串聯ε1、ε2分別為兩種材料各自的應變；α、β分別為兩種材料各自的厚度占總厚度的比值，故：α+β=1（1）在圖線上連接同一應力座標下曲線（1）和曲線（2）上的對應點，得線段aaˊ，bbˊ，ccˊ，……；（2）將各線段按β：α的比例分割；——

哪一段是α？（3）把各分割點聯成平滑的曲線，也就是組合後的應力—應變曲線。αβ（1）（2）或（2）不同面積的串聯組合

（較軟的材料嵌在基礎襯墊的中間）•

外力作用下，兩種材料同時變形•

由於材料(2)很軟，很快達到極限變形量xb，此時的變形量2.2緩衝材料的並列A=A1+A2

2.2.1線彈性材料EA=E1A1+E2A2

根據定義：或假設E1>E2E＞

E＜E2<E<E1

結論（針對線彈性材料而言）：

⑴組合設計的緩衝效果（無論是疊置還是並列），其對應的等效彈性模量與兩種原始材料的彈性模量有關，數值大小介於兩者之間。

⑵等效彈性模量的大小與兩種原始材料的結構尺寸有關，通過改變原始材料的結構尺寸有關，可以使等效彈性模量的數值在取值範圍內連續變化。

2.2.2非線彈性材料（1）相同厚度的兩種非線彈性材料組合α、β分別為兩種材料各自的受力面積占總受力面積的比值，α+β=1。

（1）在圖線上連接同一應變座標下曲線（1）和曲線（2）上的對應點，得線段aaˊ，bbˊ，ccˊ，……；（2）將各線段按β：α的比例分割；——

哪一段是α？為什麼？（3）把各分割點聯成平滑的曲線，也就是組合後的應力—應變曲線。或βα（2）不同厚度的兩種非線彈性材料並聯•

材料受壓時，材料（1）先變形，t相等時，材料（2）才開始變形；•

曲線（2）的起點在變形量上要滯後一定距離（等於厚度差）；•

兩種材料共同受壓時，承載面積擴大，意味著負荷承載能力提高，為兩種材料負荷承載能力之和：結論（針對非線彈性材料）：⑴對同一種材料的應力應變曲線是相同，其形狀不受結構尺寸變化的影響，組合後的應力應變曲線與原材料的應力應變曲線有關，還與原始材料的結構尺寸有關。改變原始材料的結構改變組合後的應力應變曲線。⑵面積相同，厚度不同的材料串聯應力應變曲線介於兩種原始材料厚度相同，面積不同的材料並列的應力應變曲線之間。[例]已知受力面積為5cm2、厚度為4cm的兩種方形緩衝材料，其力—形變運算式分別為

F1=2x1+0.12x13，F2=3x2+0.32x23設計這兩種材料的並列放置，其中材料1的受力面積為3cm2，材料2的受力面積為2cm2，總的受力面積為5cm2。求組合後的力—形變運算式。解：原題給的兩種材料的力—形變運算式反映了受力面積為5cm2時材料的力學狀態，它與組合後兩種材料分別參與的受力面積不同。前面已經討論過，材料的力—形變性質與結構尺寸有關，所以不能直接利用前面的結論。

首先，根據已知條件，先求兩種非線彈性材料的應力—應變運算式：

σ1=F1/Aσ2=F2/A式中：A=5cm2考慮到應力—應變性質與材料的結構尺寸無關，在組合前後材料的應力—應變運算式不變。組合後的應力為：式中A1=3cm2，A2=2cm2組合後的力運算式為：考慮到並列放置後，兩種材料的形變相同，即x1=x2=x，可得3緩衝特性與緩衝係數3.1緩衝效率（1）（2）理想緩衝效率——單位厚度緩衝材料吸收的能量

——緩衝材料在力F作用下的變形能E

db——材料的變形極限，超過這個極限，緩衝材料就會失去彈性＜1

db´是一個與材料的結構尺寸無關的常量

（3）選擇緩衝材料的原則：

•

單位體積的吸收能要大；

•

材料給予內裝產品的作用力要小。要求緩衝效率要大緩衝效率與材料的力學特性有關，不同的材料有不同的緩衝效率。緩衝效率還是形變的函數，同一材料在不同的變形量時的緩衝效率是不同的。

對於線彈性材料：

正切型彈性材料：

雙曲正切型彈性材料：

三次函數型彈性材料：

th,tanh——雙曲正切coth——雙曲餘切3.2緩衝係數靜態緩衝係數(靜態試驗法)動態緩衝係數(動態試驗法)緩衝係數越小越好3.2.1靜態緩衝係數（1）試驗設備：萬能試驗機（2）目的：測定材料的力形變曲線求緩衝係數；（3）基本步驟：

•上壓板速度為12±3mm/min，接近靜力；

•

測量並記錄應變量及其增量；

•

測量並記錄與相應的應力及其增量；

•

求各壓力區段的變形能的增量及其累計值；

•

計算比值，得緩衝係數C。在σ、e和ε三個變數中，只有一個變數是獨立的

●緩衝係數曲線•

根據試驗結果，取C為縱坐標，σ為橫坐標，繪製緩衝係數——最大應力曲線（C-）；•

取C為縱坐標，ε為橫坐標，繪製緩衝係數——應變量曲線（C-ε）；•

取C為縱坐標，E為橫坐標，繪製緩衝係數——變形能曲線（C-E）。①發泡聚苯乙烯（比重0.014）②發泡聚苯乙烯（比重0.020）③發泡聚苯乙烯（比重0.033）④發泡聚苯乙烯（比重0.035）⑤人造纖維100（比重0.050）⑥人造纖維150（比重0.060）⑦人造纖維200（比重0.080）⑧聚氨酯泡沫（比重0.03）⑨聚氨酯泡沫醚（比重0.03）⑩發泡氯乙烯（比重0.31）⑾發泡氯乙烯（比重0.42）⑿泡沫橡膠⒀木屑（比重0.07）⒁發泡聚氯乙烯碎屑（比重0.08）⒂塑膠碎屑（比重0.087）3.2.2動態緩衝係數（1）試驗設備：衝擊試驗機（2）試驗方法：•

測出發生在重錘上的衝擊加速度的最大值Gm

；•A、T、H以及材料不變，改變重錘重量，

——測出不同的Gm；•

以為橫坐標，Gm

為縱坐標，繪製Gm—σst

曲線；•H、A不變，改變T，得出一系列的Gm—σst

曲線；•T、A不變，改變H，得出一系列的Gm—σst

曲線；•

利用Gm—σst

曲線，得到緩衝係數C；

重錘W在H高度的重力勢能=緩衝材料的形變能

•

將Gm—σst

曲線的每一對座標值，轉換到C—σm

坐標系中；3.2.3影響緩衝係數的因素緩衝係數受材料性質和外界條件有關。試驗方法靜態壓縮速度的影響動態非彈性阻尼的大小與材料的形變速率成正比。外界條件溫度：溫度升高緩衝係數的最小值增大。預處理：預處理後緩衝係數的最小值增加，

——材料的力學鬆弛造成的。4緩衝材料的全面評價4.1衝擊能量的吸收性——有效地減少傳遞到內裝產品上的衝擊。並非吸能大的材料就一定滿足緩衝要求——綜合考慮材料、體積、產品重量、衝擊力的大小——吸收能量與衝擊能量相適應。

彈性大的硬性材料，吸能多——產品重量大、受衝擊力大的場合。彈性小的軟性材料，吸能少——產品比重小、受衝擊力小的場合。

4.2振動能量的吸收性——避免共振緩衝材料的傳遞率Tr材料的成分、密度、工藝條件、溫度阻尼——將材料的振動能量轉化為熱能和塑性形變能,形成對振動的衰減。

緩衝材料名稱阻尼比聚乙烯或聚苯乙烯泡沫塑料0.08-0.20

聚氨酯泡沫塑料0.10-0.50

橡膠0.02-0.16

矽橡膠0.11-0.23

鋼質螺旋彈簧0.008-0.016

4.3回彈性•

定義——緩衝材料在受衝擊和振動的情況下,具備的恢復原來尺寸和形狀的能力,稱為回彈性。

回彈性差的材料幾次衝擊後—結構尺寸變化較大—影響緩衝性能——破損；幾次衝擊後—材料尺寸變小,空隙加大—二次衝擊—破損。•

吸收能量大而回彈性能差的材料,一般不宜作緩衝材料。•

回彈性差的材料可用於僅發生一次大衝擊的場合,利用塑性變形吸收衝擊能量。•

回彈性：

通過材料靜壓試驗測定，其壓縮量通常取原始厚度的20%，並連續加載24小時。•

預處理（預壓縮,使之發生塑性變形）——防止二次衝擊。預壓縮以後應力曲線的變化——

壓縮前的原始厚度；——

壓縮後的厚度；σε4.4蠕變性•

定義——指緩衝材料在受到靜外力作用下,隨著時間的延長使變形相應增大的一種現象。•

包裝件長期貯存——緩衝材料產生蠕變——結構尺寸變小,產生空隙——產品破損率上升。要求良好的抗蠕變性能。•

蠕變率：•

蠕變影響因素：材料性能外力的大小、作用時間環境溫度；

溫度升高、外力增大,蠕變速率也相應加快。——

壓縮前的原始厚度；——壓縮後的厚度；4.5溫度穩定性•

緩衝材料的物理性能與環境溫度密切相關；•

熱塑性材料低溫，很硬的玻璃態，彈性模量很大高溫，較軟的高彈態。•

熱固性材料——性能？能否作為緩衝材料？與熱塑性材料有何區別？•

選擇的緩衝材料應在較大的使用溫度範圍內，保持其緩衝性能不變。•

常見緩衝材料的最低使用溫度：緩衝材料最低使用溫度（℃）聚氨酯泡沫材料-30聚苯乙烯泡沫材料-20聚乙烯泡沫材料-50動物纖維-40泡沫橡膠-204.6濕度穩定性•

許多緩衝材料是易於吸濕的。吸收的水量決定於環境的相對濕度；•

緩衝材料吸水後，緩衝性能會受到很大影響。——金屬製品生銹，瓦楞紙箱強度降低。——防潮處理。4.7耐破損性

•

緩衝材料在衝擊和振動作用下——破損；

•

緩衝材料在受到反復的衝擊與振動時——與內裝物經常接觸並摩擦，會產生碎片和灰塵——表面破壞，粉塵等；要求一定的強度、耐破損和耐磨性。4.8化學穩定性影響化學穩定性的因素材料的性能化學結構和成分使用溫度緩衝材料應有：

•

較好的化學穩定性；

•

耐油、耐酸、耐堿和抗微生物的侵蝕；

•

與內裝物的化學成分相適應。•PH值應在6.0-8.0範圍內4.9物理相容性

緩衝材料與內裝產品是直接接觸，二者的物理性質應相適應，避免發生有害的物理作用。表面摩擦；摩擦產生靜電；吸附灰塵或其他物質等。5常用緩衝包裝材料5.1塑膠緩衝材料5.1.1分類按結構分泡沫塑料（還可按發泡方法細分，表6-5）氣墊塑膠薄膜。按塑膠樹脂分熱塑性泡沫塑料（PE,PP,PS,PVC等）熱固性泡沫塑料（PU,酚醛泡沫等）按發泡方法和工藝不同形成的孔結構分開孔閉孔混合型按泡孔現狀分球形橢球形（橢球長度方向的壓縮強度和彈性模量比短軸方向大2倍）

按孔徑分大泡孔（直徑大於0.5mm)

小泡孔（直徑大於0.25mm)按泡沫密度分低發泡（密度>0.4g/cm,氣體與固體之比<1.5）中發泡（密度=0.1-0.4g/cm,氣體與固體之比為1.5-9）高發泡（密度<0.1g/cm，氣體與固體之比>9）按泡沫體的硬度分硬質泡沫塑料（彈性模量>700kPa)

半硬質泡沫塑料（彈性模量在70-700kPa之間)

軟質泡沫塑料（彈性模量<70kPa)

33323⁰和50%RH條件下的彈性模量5.1.2EPS(發泡聚笨乙烯)優點：•

抗壓強度大，成本低，加工性能好（可製成帶肋的複雜形狀，節約成本）；•

光滑的略帶彈性的模塑表面不會磨損內裝物；•

振動阻尼大，即抗振性能好；•

不吸水；耐腐蝕、耐油、耐老化；•

隔熱和絕緣性好；•

可接觸食品；•

熱敏感性低，2秒內可自熄；•

抗蠕變性能極好；•

重載下的緩衝性能好；缺點：•

不耐衝擊；性脆，拉伸強度低。•EPS無法自然分解，體積大，不易回收；焚燒時易燒壞焚燒爐部件，而且產生黑煙和一氧化碳等。歐盟禁用EPS

尋求性價比與EPS相當的環保型緩衝出來是一大世界難題！5.1.3EPE(發泡聚乙烯)是一種低密度、半硬質的、閉孔結構的、耐候性好的、無毒的、耐腐蝕、阻水的和易回收的聚乙烯聚合物。優點：•

緩衝性能好，能耐多次衝擊，動態變形小；•

抗拉強度高；•

抗靜電性能好；缺點：

•

比EPS貴；

•

不能模塑。應用場合：•

較貴重和易碎產品的緩衝包裝。5.1.4PU(發泡聚氨基甲酸脂）

——簡稱聚氨脂，俗稱人造海綿)優點：•

極好的緩衝性能好，耐多次衝擊，振動阻尼性能良好；•

成型簡單，可製成複雜形狀，改變密度容易；•

耐水、耐油、耐腐蝕；•

復原性好；•

回收容易。應用場合：•

現場發泡，適合包裝機械部件、儀器儀錶、陶瓷器皿、玻璃製品等。5.1.5EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚橡膠製品)

PEF(聚乙烯化學交聯高發泡材料)優點：

新型環保材料，具有良好的緩衝隔振性能、回彈性與抗張力高、韌性強、隔熱、防潮、耐腐蝕、無毒、不吸水、成型加工容易；

應用場合：•

要求長期使用的包裝。冷庫保溫材料、機器設備密封緩衝件、各種精密儀器、醫療刀具、量具的包裝內襯等。

EVA緩衝墊PEF內襯5.1.6EPDM(三元乙丙烯人造橡膠，俗稱多孔橡膠)

CR(氯丁橡膠)EPDM：具有卓越的耐厚型，耐臭氧，可在130⁰C下長期使用；能耐強酸、強鹼、醇、氧化劑、洗滌劑、油、酮、酯和肼等化學藥品的腐蝕；具有優異的耐水、過熱和水蒸氣的性能。

CR：高檔緩衝材料，防震、減震、耐候性、耐酸堿、阻燃性等性能較好。EPDMCR用於精密儀器、醫療設備的運輸包裝，電子產品的防汽防水包裝。在機械建築、電器、防水、防腐蝕、防震配件也被大量使用。

5.1.7EPP(發泡聚丙烯，俗稱拿普龍)優點：性能優於EPE和EPS，但價格高。●環保型（可回收利用、可自然降解）抗壓緩衝隔熱材料。●具有十分優異的抗震吸能性能、形變後回復率高、很好的耐熱性、耐化學藥品、耐油性和隔熱性。●品質輕，可大幅減輕物品重量。●易成型（可選用模具成型、裁切成型、刀模衝壓成型、粘貼成型）適用場合：

5.1.8氣墊塑膠薄膜

（兩塊塑膠薄膜中間夾入空氣熱合而成）優點：

●具有耐腐蝕、耐黴變、化學穩定性好、不易破碎、無塵、防潮、不吸水、透明、柔軟而不磨損內裝物、緩衝性能優良。適用場合：輕型複雜形狀易碎產品的緩衝包裝。

5.1.9塑膠薄膜懸掛緩衝包裝採用高強度、高彈性、不易滑動的薄膜來定位產品，防止產品受到衝擊和震動而發生損壞。優點：●適用於各種形狀的產品包裝。●包裝可以折疊，減少儲存空間，也無需專門的設備配合。●可重複使用，減少包裝廢棄物；●含有30%的可回收物料，可再生利用。適用場合：即可用於運輸包裝，又可用於銷售包裝。

4.2紙製品緩衝材料

4.2.1瓦楞紙板優點：環保、易裁切、易模切、易黏合、成本低、與瓦楞紙箱好協調、使用範圍比泡沫塑料寬缺點：對產品表面有磨損，難形成三維曲面、濕度影響大、超載復原性差，多次跌落後緩衝能力下降1/3。適用場合：機電產品的緩衝包裝很多香水、化妝品等都用微細瓦楞紙板做內襯

4.2.2蜂窩紙板優點：具有環保、易黏合、與蜂窩紙箱好協調、使用範圍寬。缺點：●對產品表面有磨損，難形成三維曲面、濕度影響大、超載復原性較差；●加工較難，不好模切；比瓦楞紙板貴。適用場合：4.2.3紙漿模優點：●廢紙來源廣泛、質輕、儲運方便、成本低。●有一定的強度、剛度和緩沖性能。●可模塑成與產品輪廓一樣的形狀、集緩衝、定位、防撞於一身。●有良好的透氣性和吸潮性；易於回收、環保。缺點：紙漿模製作受乾燥、能耗等因素的影響，厚度受限制，不能用於重型產品。紙漿與泡沫塑料混合！適用場合：

4.2.4紙漿發泡塊利用粉碎後的廢紙和澱粉混合、發泡、成型為具有多孔的小塊作緩衝材料，緩衝性能優於EPS。優點：

●緩衝性能極好。●環保、節約資源。缺點：運輸成本高，適合就近生產適用場合：電子、儀器和敏感材料的緩衝包裝

4.2.6紙纖維成型材料（Pillowpack）利用廢紙漿、渣漿等為原料，不經脫水和乾燥輥而直接熱風乾燥製成的一種彈性好的緩衝材料。優點：

●復原性好，紙面壓花或製成瓦楞狀其復原性更好。●環保、節約資源。缺點：運輸成本高，適合就近生產

緩衝包裝的定義：以緩和衝擊為目的的包裝常見形式：用有彈性的材料或彈性元件作緩衝襯墊，吸收衝擊能量，延長內裝產品承受衝擊脈衝作用的時間。緩衝包裝的分類：全面緩衝包裝局部緩衝包裝懸浮式緩衝包裝一.全面緩衝包裝

特點：

1.對產品進行全面緩衝防護；

2.減小材料厚度和包裝件體積；

3.適合小批量產品包裝；

4.絲狀、薄片狀或粒狀材料或現場發泡。第3節緩衝包裝的形式特點：1.在受力部位或易損部位進行緩衝；2.厚度可變；3.節省包裝材料；4.適於大批量形狀不規則產品的包裝,應用最廣。二.局部緩衝包裝常見局部緩衝包裝的其他形式角滾式整體澆注式支撐式三.懸浮式緩衝包裝特點：1.用彈簧懸吊包裝物；2.適用於精密、脆弱產品，如大型電子管，大型電腦，制導裝置等；3.外包裝必須使用堅固的外包裝容器。一.襯墊結構選型第4節緩衝襯墊的設計貼片襯墊角襯墊孔型襯墊產品重量、結構形狀和尺寸；代表流通環境條件的等效跌落高度；

a.經驗公式法人工裝卸中，包裝件的跌落高度與重量的關係式：

h=300×W-1/2

h—跌落高度，cmW—重量，Kg（>16kg）

b.標準量值法（根據產品重量、最大尺寸範圍及運輸條件直接查表）國標GB4857.5—84跌落試驗高度日本JISI0202自由跌落試驗條件美國軍用標準MIL—P—116H自由跌落試驗條件二.確定設計的基本參數

代表產品特性的脆值參數a.試驗法：通過脆值試驗，再根據價值大小、強度偏差、重要程度，考慮運輸中破損的風險度，確定許用脆值。

b.標準量值法美國軍用標準MILHDBK304

美國MTS標準日本防衛廳規格NDS

英國綜合防護手冊根據產品屬性、價值大小、重要程度，綜合各國標準確定一個合理的許用脆值。c.理論估算法：根據產品結構、尺寸、材料特性，用力學模型計算推導出產品的脆值。選材原則：●脆值大的產品，選彈性較小的緩衝材料；●脆值小的產品，選緩衝性能好的緩衝材料；

[G]<20g，彈簧

30g<[G]<250g，泡沫塑料、海綿

400g<[G]<600g，橡膠，木材

[G]>1000g，不用緩衝材料選定材料後，找相應的曲線：緩衝係數～最大應力（C－σm）曲線

——

靜態緩衝係數

緩衝係數～靜應力（C－σs）曲線

——

動態緩衝係數

緩衝係數～應變率（C－ε）曲線——

應變率緩衝係數～變形能（C－E）曲線——

變形能振動傳遞率～頻率特性(Τr－f)曲線——

傳遞率代表材料性能的緩衝特性參數•

對指定材料計算尺寸；•

選擇最合適的材料並決定尺寸；•

比較不同材料的優劣；三、選取特性曲線確定襯墊基本尺寸T:襯墊厚度，cmW:產品重量,NA:襯墊有效面積,cm2G:產品脆值H:等效跌落高度,cm1.緩衝係數～最大應力（C－σm）曲線的應用確定材料—

選定曲線—

選定包裝形式（全面緩衝包裝和局部緩衝包裝）

—

設計計算（面積、厚度等）•

全面緩衝包裝求A，A=產品表面積；求T，——

利用曲線查出C值——

（定義）

——•

局部緩衝包裝最省材料法最小緩衝係數法（1）作切線得；（2）（3）常用的設計步驟C－σm例1一重為100N的產品，脆值為80g，要保證從60cm的高處跌落而不破損，規定用密度0.031g/cm3的聚氯乙烯作襯墊，計算襯墊尺寸。解：已知W=100N，G=80g，H=60cm

查緩衝係數—最大應力曲線圖在σm=3.6×105Pa時對應最小緩衝係數C=3.6

故T=CH/G=3.6×60/80=2.7cmA=WG×104/σm=100×80×104/(3.6×105)=222cm2•

對指定的材料計算尺寸例2用紙箱作內包裝，把一重為100N，脆值為30g的產品裝入箱內，用襯墊把它與外包裝箱隔開，箱底面積2000cm2，設定跌高為60cm，試選擇適當的緩衝材料，計算其尺寸。解：已知W=100N，G=30g，H=60cm

採用全面緩衝包裝則A=2000cm2

σm=WG/A×104=100×30/2000×104=0.15×105Pa

查緩衝係數—最大應力曲線圖當σm=0.15×105Pa時，密度為0.08的發泡聚氯乙稀有最小緩衝係數，C=3.5

故T=CH/G=3.5×60/30=7cm

該設計採用密度為0.08的發泡聚氯乙稀作緩衝墊，尺寸為A×T=2000×7(cm3)選擇最適當的材料計算尺寸

例3:一重力為90N，脆值為50g的產品，欲裝入一底面積為750cm2的容器箱內，設定的跌落高度為60cm，如果採用密度為0.075g/cm3的石棉作襯墊，試檢驗該設計的合理性。解：已知W=90N，G=50g，H=60cm,查緩衝係數—最大應力曲線圖該石棉材料，最小緩衝係數C=5.7，對應的應力值為

σm=0.17×105PaA=WG×104/σm=90×50×104/(0.17×105)=2648cm2若選用密度大一倍的聚氨酯泡沫，則最小緩衝係數為C=3.3，對應的最大應力值為σm=0.7×105Pa，此時的承載面積為：

A=WG×104/σm=90×50×104/(0.7×105)＝643cm2

墊的厚度T=CH/G=3.3×60/50=3.96cm此面積大於容器底面積，無法裝入，說明本設計不合理。比較不同材料的優劣••2.最大加速度～靜應力（G－σs）曲線—

動態緩衝係數曲線

全面緩衝法：已知面積，求T

（1）求靜應力；

（2）根據H、G、在G－σs曲線上找交點，若此交點位於兩條厚度曲線之間，可用比例插入法確定出緩衝材料厚度T。

局部緩衝法：（1）根據H找對應曲線；（2）在對應的許用脆值處作一條水平線，它與緩衝曲線有很多交點。（3）取與之相交的厚度較小的緩衝材料進行設計，得到T。（4）選最右邊的交點（靜應力較大的交點），用料面積最省。（G－σs）曲線的應用例：

一重為200N的產品，脆值為60g，產品底面積為50cmx40cm,預計跌落度為50cm，規定用圖6-6中的聚氯乙烯作襯墊，計算襯墊尺寸。解：已知W=200N，G=60g，H=50cm（1）求靜應力查最大加速度——靜壓力曲線（b）,與Gm=60g的交點為圖上B點B點在曲線族左邊，說明靜應力太小，沒必要用全面緩衝，可改為局部緩衝！••••(2)設計局部緩衝襯墊在Gm=60g處作一條水平線，取厚度較小的緩衝曲線進行設計；則T=4cm，它的兩個交點為C和D，取交點D進行設計最省料。D點對應靜應力為，所需承載面積：圖中E對應的加速度值最小，緩衝性能最好，產品的安全率最高，若用E點設計有：故該設計取T=4cm的聚苯乙烯泡沫墊，承載面積可作兩種選擇，節約用料取A=285Cm2，提高產品安全率取A=500cm2。由於局部緩衝，通常都採用角墊形式，那麼每塊角墊的承載面積為A角=1/4A面。四.緩衝襯墊的校核1.產品強度校核(產品支承面的應力校核)

—產品許用應力；Pa；

—衝擊時最大應力；Pa。

應力過大：●擴大承載面積；●改用較軟的襯墊；●採用軟硬不同的材料做成組合襯墊，使支承面的應力與其他各部位的強度相適應等。2.撓度校核襯墊尺寸的面積與厚度之比超過一定比值時，襯墊容易撓曲線或變彎，大大降低襯墊的負重能力

Amin/（1.33T）2>1或Amin>（1.33T）2T—厚度，cm；A—面積，cm2。3.跌落姿態校核

和都是以理想姿態為前提（試樣平直，底面著地）。實際跌落姿態：角跌落受力情況變化較大——對基本設計尺寸作棱跌落校核和調整面跌落結論：角跌落或棱跌落時，產品承受的加速度比面跌落時小。原因：•

角跌落或棱跌落時，外包裝容器的變形大，吸收了較多的衝擊能量，產品所受的衝擊減少。（容器相當於一個緩衝器）

•

角跌落或棱跌落時，襯墊的負載面積比面跌落時增大了。（1）全面緩衝條件下不同姿態的跌落試驗（2）全面緩衝時等效面積的確定l、d、b分別表示產品的長、寬、高

三個緩衝面在水平面的投影面積為：

Ae=3lbd/若產品為立方體，即l=b=d則

Ae=3l2/=l2計算結果表明:全面緩衝條件時，角跌落與面跌落相比，角跌落的等效負荷面積大，相當於面跌落的1.73倍。（3）局部緩衝包裝的等效面積確定採用角襯墊時，角襯墊由三個面積為的面襯墊組成，角衝擊的等效面積為構成此角三個側面在水平面上的投影面積。

Ae=L2(l+b+d)/若產品為立方體：Ae=L2在角衝擊時不僅跌落角的襯墊參與緩衝，該角三個側面上的其他襯墊也參與緩衝，相當於4個角襯墊，故：Ae=4L2(l+b+d)/

實際包裝件的外包裝容器不是剛體，在衝擊過程中產生變形，傳遞到各個襯墊上的作用力不相同。應根據外包裝容器的性能，通過測試，在1～4之間選擇一個合適的係數K。

Ae=KL2(l+b+d)/（4）棱跌落的等效面積確定•

當產品為立方體時，全面緩衝包裝Ae=L2，它介於面跌落面積L2與角跌落等效面積L2之間。•

對局部緩衝包裝，若角襯墊面積為L2，產品為立方體，假設外包裝容器為剛體，棱衝擊的等效投影面積Ae=4L2，同樣它介於面跌落面積4L2與角跌落等效面積4L2之間。角襯墊校核通過，滿足棱衝擊的要求。4.蠕變數校核蠕變增量按下式計算：

Tc=T（1+Cr）式中：Tc—修正後的厚度cm；

Cr—蠕變係數%；

T—原設計厚度cm；5.溫濕度校核

環境溫度和濕度的變化對襯墊的緩衝能力有明顯的影響；溫度的升高或降低，還會引起襯墊尺寸的變化。因此，應根據流通過程中可能出現的環境條件修正緩衝襯墊的尺寸。[例]已知一產品W=200N，G=85g，產品為正立方體，規定的跌落高度不超過90cm，並指定採用如圖所示特性的材料作局部緩衝，試設計面跌落和角跌落時襯墊所需尺寸（設蠕變係數為10%）。解：（1）採用角襯墊；（2）T=5cm，兩個交點為A、B，對應的靜應力分別為0.015×105Pa和0.05×105Pa，為節省材料，取B點進行設計；（3）角襯墊尺寸為（4個角襯墊）：L2=A/4=400/4=100（cm2）

（4）撓度校核：Amin>（1.33T）2

，L2=100>（1.33T）2=44，滿足要求•角跌落時的有效受力面積為（若取K=1）Ae=KL2=173(cm2);此時靜應力為：

σs=W/Ae×104=200/173×104=0.116×105(Pa)該靜應力對應的加速度超過產品脆值，所以校核通不過校正的辦法是取B點對應的靜應力來確定角襯墊角跌落有效面積，有Ae=W/σs×104=200/(0.05×105)×104=400(cm2)L2=400,L2=400/=231.3(cm2)L=15.2cm則面跌落時的受力面積和靜應力為：

A=4L2=4×231.3=925（cm2）

σs=W/A×104=200/925×104=0.0216×105（Pa）此靜應力對應的加速度值小於產品的許用脆值。（6）蠕變數校核：

Tc=T（1+Cr）=5（1+10%）=5.5（cm）所以，角襯墊的厚度為5.5cm，邊長為15.2cm。（5）產品強度校核：五.最省材料的緩衝設計方法（C～曲線）假設緩衝襯墊的面積為A，厚度為T，則體積為：V=AT由於A=WG/T=CH/GV=HWC/其中產品重量W和跌落高度H都為常數，C是的函數，對上式求導有

V′=WH（C′-C）/2要使上式有極值，令V′=0則C′=C/在C-曲線上找一點（C0，），使得該點的緩衝係數值C0與最大應力值的比值等於此點的導數值C0′。作圖法（過原點切線法）（1）過座標原點（0，0）作C～曲線的切線；（2）切點（C0，）為極值點；（3）由極值點設計出的緩衝襯墊用料最省，有時不能完全滿足要求；（4）在緩衝係數最小值點與過原點切線的點之間選擇一個合適的點進行設計，即能滿足設計要求，又可使材料較省。產品的重力為50N，選用的緩衝材料的特性曲線如圖所示，等效跌落高度為50cm，產品的許用脆值為40g，試確定緩衝襯墊的尺寸。解：（1）最小緩衝係數法：在C—

曲線中最小緩衝係數為C=2.4,對應的最大應力值為10KPa，那麼緩衝襯墊面積為：

A=WG/=50×40/（10×103）×104=2000（cm2）材料厚度：T=CH/G=2.4×50/40=3(cm)體積為：V=AT=2000×3=6000(cm3)（2）過原點切線法：切點座標值為：C0＝2.6

＝11.5KP。則緩衝襯墊面積為：A=WG/×104=50×40/11500×104=1739.1(cm2)厚度為：T=CH/G=2.6×50/40=3.25(cm)體積為：V＝AT=1739.1×3.25=5652(cm2)

過原點切線法設計出的緩衝襯墊比最小緩衝係數法設計出的緩衝襯墊用料要省。校核！第5節防振包裝設計一.振動對產品的主要破壞形式（1）共振時，產品的共振加速度>許用值,發生類似衝擊的破損效應；（2）非共振條件下，長時間的迴圈交變載荷導致材料的疲勞老化；（3）振動導致產品與緩衝介質（各種包裝膜、襯墊、填料）之間的摩擦，使產品表面產生摩痕，擦傷；誘發某些產品銹蝕或剝落；（4）特定條件下，振動會改變某些產品的結構狀態，如：螺紋連接松，儀錶失靈，某些粘稠物品變稀——影響產品性質和價值。防振包裝——伴隨運輸全過程——無法避免；緩衝包裝——突發性衝擊（跌落，野蠻裝卸）——採取措施，可避免。結構上防振包裝形式上有彈性的阻尼目的避免共振緩衝包裝一致材料作襯墊不同吸收衝擊能量二.襯墊設計按緩衝要求進行設計；校核其防振能力。三.防振包裝設計解決的基本問題（1）按照傳遞特性，選擇防振襯墊；（2）對緩衝襯墊作防振校核；（3）評價現有包裝的防振能力，改進防振結構。

設計的基本參數：振動環境的激勵特性；包裝件的固有頻率；足夠的可供選擇的防振材料傳遞率數據；防振介質的阻尼特性。四.傳遞率曲線及其應用防振性能——系統的固有頻率和阻尼。——內裝產品與外包裝箱之間的介質襯墊材料，它的剛度及阻尼，對系統起決定性的作用。1.確定固有頻率(1)線性系統振動理論實際包裝件對非線性緩衝包裝系統，其固有頻率按襯墊材料的應力～應變(σ～ε)曲線來計算。（2）非線性系統是σ～ε曲線在靜平衡位置的斜率(又稱為彈性率)，記為E；

A為襯墊的承載面積，T為襯墊的厚度。非線性包裝系統的固有頻率——取決於彈性率，靜應力和材料厚度。——繪製固有頻率—靜應力(fn～σ)曲線。靜應力——固有頻率曲線2.阻尼係數——試驗測定

3.包裝件對振動的傳遞率(在實際工作中，傳遞率是通過用特定的包裝模型進行試驗來確定的)——傳遞率曲線。影響因素：材料品種，材料密度，襯墊的形狀和尺寸，負載（應力）狀況。——改變任何一個因素，傳遞率都變化。緩衝材料名稱阻尼比聚乙烯或聚苯乙烯泡沫塑料0.08-0.20聚氨酯泡沫塑料0.10-0.50橡膠0.02-0.16矽橡膠0.11-0.23鋼質螺旋彈簧0.008-0.016

五.振動防護設計方法(1)計算緩衝材料的靜應力值：

σ＝W／A×l04(Pa)(2)找出該靜應力值對應的緩衝材料振動傳遞率～頻率特性（～)曲線，並找出峰值處的傳遞率及頻率；(3)確定在流通過程中包裝件在頻率為時的最大振動加速度；(4)計算產品在共振時的最大回應加速度。其中為產品的最大回應速度，為包裝件在頻率時的最大加速度，為頻率時的振動傳遞率；(5)不滿足,重新設計；(6)，由於振動加速度反復作用——產品疲勞損壞——重新設計。例：產品的重力為300N，底面尺寸為30ｘ30cm2，產品上的脆弱部件具有25Hz的固有頻率，0．02的阻尼比，可承受的最大衝擊加速度為45g。產品的衝擊防護設計採用了全面緩衝方法，選用的緩衝材料厚度為10cm，產品在運輸過程中，受到的振動輸入如圖所示，忽略疲勞作用，確定這樣的襯墊能否提供足夠的振動防護。解：(1)確定包裝件共振時脆弱部件的回應加速度：

σ＝W/A×104=300/(30×30)×104=3.33(kPa)根據靜應力σ及材料厚度T——查材料的振動傳遞率～頻率特性(Tr—f)曲線——得曲線的峰值對應的頻率為7Hz，傳遞率為2.5。而7Hz時振動輸入加速度為1g，則產品的最大加速度為：＝2.5×l＝2.5(g)

則脆弱部件回應為：

該值小於其可承受的最大衝擊加速度45g，部件不會損壞。

(2)確定脆弱部件共振時的回應加速度。由圖可得，在頻率25Hz時的振動輸入加速度為0.55g，緩衝材料的振動傳遞率為0.25，則產品的最大加速度回應為：

=0.25×0.55=0.14(g)

脆弱部件共振時有：

則脆弱部件的最大回應加速度為：

故由衝擊防護選定的襯墊可以提供足夠的振動防護。

Tr==≈1.04

Tr≈==25第6節緩衝襯墊的結構設計一.緩衝包裝設計過程（1）瞭解產品形狀和特性；（2）瞭解產品的流通環境；（3）選擇適當的緩衝材料；（4）基礎的設計計算；（5）由基礎設計的參數決定緩衝包裝方法（全面、局部和懸浮式緩衝包裝）。二.緩衝襯墊結構設計適用於規則形狀產品1.確定受壓面積