摘要 介绍运输包装CAD系统产品脆值求解、缓冲设计、瓦楞纸箱设计、纸箱结构优化设计等模块的组成、原理。
传统包装运输设计是：根据实验得到产品的脆值，再由有关公式流通条件进行缓冲衬垫、外包装容器的设计和纸箱结构的优化设计，还要进行校核和长时间的实践检验。最后产品才能得到较为理想的包装。传统的运输包装设计的方法历史周期长，要对产品直接试验才能确定产品的脆值，还要借助实践检验，所以会造成产品浪费；也容易造成产品的过包装，从而造成包装材料的浪费。能不能采用一定的理论、方法和技术将这一设计过程借助于计算机完成，已知产品和流通条件，直接求解产品脆值并设计出合乎要求及经济可行的缓冲衬垫和外包装容器。笔者所要论及的运输包装CAD系统便可实现这一要求。现介绍如下。
一、软件系统组成
运输包装CAD系统主要是由产品脆值求解模块、缓冲设计与校核模块、纸箱结构设计与校核模块、纸箱结构优化设计模块和运输包装设计方案输出模块四大模块组成。各模块型对独立各自完成一定的功能，但又彼此制约，相互依赖共同完成产品运输包装的设计任务。其各部分的相互关系用图1来表示。
图一 软件系统相互关系图
二、软件各模块功能及其实现
1、产品脆值求解模块
该模块的主要功能是由产品的已知参数（尺寸、弹性模量E、泊松比λ、密度ρ、阻尼系数γ等）出发，模拟试验条件，利用计算机直接求解产品脆值。
传统求脆值的方法主要有：冲击机试验法、缓冲跌落试验法等。它们都是将产品在受到一定的瞬态冲击，直至产品产生损坏丧失使用价值的情况下，对测得的数据进行处理而得到产品的脆值。该软件模拟试验来求解产品的脆值主要解决了以下问题：
（1） 分析产品的结构特点，将产品按一定的原则离解成几个子结构。利用有限元法对各个子结构进行分析，分别建立它们的模型。
（2） 用动态结构法，借助于联结点的位移连续性条件，对各个子结构进行组合计算，建立系统方程。
（3） 通过对产品大量破损事故的调查分析和研究工作，找到产品常见破损部件，进行分类，并对其进行易损性分析，建立各类部件破损判断条件。
（4） 模拟试验条件对产品施加冲击激励。
（5） 利用振型叠加法求解系统方程，得出该产品各脆弱部件处节点对该激励的响应，并判断其破损情况。
（6） 若没有发生脆弱部件的破损，则以一定大小的百分比不断增加冲击激励，重复上述过程，直至刚好产生某一部件的破损，则用上次的冲击激励的大小与重力加速度的比值作为产品脆值；若有部件发生破损且是第一次施加激励，则以大比例减小激励直至无部件损坏时，再增加激励重复以上的过程；若不是第一次施加激励则可直接求助产品的脆值。分析图如图2。
图2 产品脆值模块分析图
2、缓冲设计与校核模块
该模块的主要功能是由产品脆值和流通中的受力特性从若干缓冲材料中找到满足要求的经济材料。
缓冲衬垫的设计方法有缓冲系数-最大静应力（c-σm）法、缓冲系数-应变力曲线（c-ε）法等。本系统采用c-σm曲线法为例进行说明。
已知：产品脆值G，产品质量M，产品长l宽w高h，求最经济的缓冲材料及其尺寸。
求解过程：
（1） 根据流通条件从流通条件数据库中获得跌落高度H。
（2） 从缓冲材料数据库中获得各适宜缓冲材料的最小缓冲系数C和对应的静应力σ。
（3） 由公式A=W·C/σ得到各缓冲衬垫的承载面积A，此面积应小于产品的最小承载面积，否则取消该缓冲材料，选择δ更大的材料。再由公式t=C*H/G得出各缓冲衬垫的厚度t。
（4） 挠度校核，使得A/（1.33t）^2>1。否则t取小，增加A。
（5） 角跌落校核，将l、w、h分别增加2t，使得3·（l·w·h）/（l^2+w^2+h^2）^1/2>1·w。否则取消该材料。
（6） 防振校核。由各缓冲衬垫的初始弹性率E、承载面积A、重力加速度g、重量W和厚度t，由公式f=(E·A·g/（W·t）)^1/2·1/2π，可得到缓冲衬垫的固有频率f，由f可以得到各缓冲材料的最大传递速率Tm(可由缓冲材料数据库中获得)。再由流通中振动加速度a便可以得到产品的所受的加速度p=Tm·a。要使得pGg,否则增加A，t取小，继续校核直至满足。
（7） 由合乎要求的缓冲衬垫的面积A和厚度t，以及由缓冲材料数据库中得到的材料价格，可以从合乎以上要求的缓冲材料中找到最经济的。
最后模块将内尺寸(l+2t)*(w+2t)*(h+2t)传送给纸箱结构设计与校核模块或输出。
3、纸箱结构设计与校核模块
瓦楞纸箱的计算公式有Kellicutt、Maltenfort、Wolf、Makee等。系统采用Kellicutt公式。
已知：从流通条件数据库中取得流通中堆妈的高度H、存储时间T、求瓦楞纸的楞型和组成.
求解过程：
（1） 由公式P=kW(H-h)/h可得到纸箱应该具有的抗压强度P(kgf)。式中：k为安全系数，可按存储环境和存储周期T从流通条件数据库中获取。W为产品毛重。h为包装件的高度。
（2） 由式P=2.54Px*F可得每厘米瓦楞纸的综合环压强度Px(kgf/cm)。其中F=(4·aX2/Z)^2/3·Z·J，Z为纸箱周长，aX2为瓦楞常数，J为纸箱常数，不同的楞型有不同的aX2和J，可以从瓦楞参数数据库中获取。
（3） 根据公式Px=(ΣRn+ΣCi·Rm)/L可以得到实际的瓦楞纸板的环压强度Px。式中：Rn为纸箱面纸、里纸或夹芯卡纸的环压强度，Ci为瓦楞收缩率，Rm为瓦楞芯纸的环压强度，L为环压式样测试长度，标准为6inches。这些参数都可以从瓦楞参数数据库中获取，同时瓦楞参数数据库中还包含对应瓦楞纸箱组成和楞型。因此得到瓦楞纸板的综合环压强度的同时就得到了瓦楞纸板的组成和楞型。
（4） 纸箱抗压强度校核。将（3）中得到的实际纸板的抗压强度带入Kellicutt公式，得到的瓦楞纸箱的抗压强度应大于（1）中的结果。
（5） 纸箱边压强度校核。将（1）和（4）中的纸箱抗压强度P带入公式ECT=P/2(l+w)，（4）的应大于（1）的。当然，（4）成立（4）也成立。
该模块能从众多合适的方案中根据从瓦楞纸箱数据库中得到的纸箱市场价格选择最理想最经济的，并且从瓦楞纸箱数据库中调取对应的箱片图和尺寸，可由输出模块输出。
4、纸箱结构优化设计模块。优化设计的目标函数为：
式中，F--每件商品所占的包装纸箱成本和运输费用成本之和；K1--所用的瓦楞纸箱单价（元/m）；S--单个瓦楞纸箱用料面积(m)；K2--所用集装箱从起点到终点的运价率（元/集装箱）；V1--单个瓦楞纸箱的体积（m）；V2--集装箱容积（m）；R--集装箱内瓦楞纸箱的空间利用率；N--单个纸箱内商品数量。该目标函数的自变量由纸箱内物品和排列数量和方式、箱型、纸箱在集装箱内的集装方式确定。这些参数可以由瓦楞纸箱参数数据库和集装箱参数数据库中得到。
约束条件是为求得可行的设计方案而设立的限制条件，例如：市场、流通环节或人体工程学因素对纸箱外形尺寸的限制；纸箱加工裁切时的要求等等。
从纸箱结构设计模块中求得的满足强度要求的所有合理的纸箱中，找到目标函数在满足约束条件下取得的最优值时的自变量的值，从而找到纸箱成本和运输费用最小的瓦楞纸箱的箱型及其尺寸。
5、其他模块及其数据库和软件环境
包装方案输出模块可以根据用户的要求将产品脆值求解模块、缓冲设计与校核模块、纸箱结构设计与校核模块和纸箱结构优化设计中的一个或全部结果方案输出。
本软件用到的编程语言是VC及其数据库开发系统。VC是一门建立在C++语言的基础之上，使用方便灵活，开发Windows应用程序的可视化编程软件。它的数据库开发系统借助于ODBC成功的将C++的灵活性和数据库的高效安全性结合起来，结合它可视化编程特点，为程序员开发数据库提供了良好的界面。
三、软件的使用和总体结构
为了对产品进行运输包装设计和从数据库中获取数据，本软件使用时应输入的参数有：（1）产品的参数；（2）流通条件代码。结合以上分析，该软件各部分的总体结构框图如图3。
图3 软件总体结构框图
四、结束语
本软件由产品自身出发，在输入各项参数的情况下，直接得出产品缓冲设计方案。改变了传统包装设计的工艺过程，节省了成本，提高了效率，具有与大的应用前景。
（作者单位 西安理工大学印包学院）
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