莱茵技术监督服务（广东）有限公司
[摘 要]本文主要概括分析了电热水器整体缓冲的包装结构基本设计与优化理念，并从确定缓冲衬垫的厚度与面积公式、设计与优化储水型电热水器的缓冲衬垫整体结构方面入手，深度研究了电热水器整体缓冲式包装结构的设计与优化实践，便于更为细致全面地思考整体设计优化的思路，开展高效化地电热水器整体缓冲式包装结构的设计与优化实践工作。
[关键词]电热水器；缓冲；包装结构；设计；优化；
基本设计优化理念
自20世纪的70年代，美国MTS企业及密歇根州的包装学院联提出缓冲包装五步设计方法。于1986年，美国相关专家及学者们又提出在五步法基础之上增加重新设计这一步骤，便形成了缓冲包装六步设计方法。而二者之间最大区别往往在于产品重新设计当中确定产品脆值。而本文针对电热水器内部缓冲包装的结构设计与优化理论研究，还是以五步法为基础，以下为具体设计思路：确定环境及产品脆值，依据产品脆值及物流环境，合理择选适宜缓冲衬垫，设计结构并确定好最适宜的尺寸，设计并优化原型的包装，原型包装试验操作，若结构不合理，需重复以上设计步骤加以修正，一直到达到相关设计标准及要求。
设计与优化
2.1 确定缓冲衬垫的厚度与面积公式
2.1.1 缓冲系数中最大的应力曲线条件下厚度及面积公式
材料缓冲系数，指缓冲系数中最大应力及弹性比之间比值，材料弹性比可借助材料应力的应变曲线之下曲边的三角形面积表示出来。若材料应力应变的曲线之上择取不同点，其所对应不同最大的应力实际缓冲系数往往不同。因而，缓冲系数最大应力函数，该函数曲线为缓冲系数当中最大的应力曲线，借助 C-σm曲线来表示。依据实验操作不同方法，C-σm曲线可分为静动态两种[1]。设计规则质量m矩形的包装件，其总质量W，衬垫底部厚度为h、面积为A，从高处H跌落，在跌落的初始阶段，其内部包装产品动能即为0，重力势能则为WH，设计该衬垫单位的体积重力势能为u1，如图1所示，为该衬垫弹性的势能，则有u1==WH/Ah该列式。待包装件逐渐落地后，产品冲击的衬垫做功，该衬垫经过受压后便会有弹性的变形能形成，将机械化损耗方面因素忽略，依据能量的守恒定律，便可获得该列式，U=fxm 0Pdx。在该列式当中，U代表衬垫弹性的变形能、P代表产品对于衬垫实际冲击力、fxm 0代表衬垫最大的变形量。衬垫单位的体积弹性实际变形能用可用u来表示，衬垫弹性的比能列式如图1-2所示。在该列式当中，σ=P/A代表衬垫静应力、ε=x/h代表衬垫应变。当该衬垫达最大的变形量xm时，则衬垫应力及应变可达最大值，即为ε=εm。而此时包装件所有重力势能将转化成衬垫弹性的势能，便有U=aWH。两侧均除衬垫的体积可得出下列公式，u=u1=U/Ah=WH/Ah。通过以上计算分析可归纳出，包装缓冲设计期间，为确保衬垫设计经济、安全，让产品脆值等同产品最大的加速参数值，即为G=Gm。
图1-2 衬垫弹性的比能列式示图
2.1.2 加速度最大静应力的曲线厚度及面积公式
依据上述包装件的计算模型能够了解到，流通期间包装件为平衡状态，产品作用之下衬垫应力为静应力，可用σst来表示，可获取σst=W/A该列式。同时，如图1-3所示，用图中列式来表示加速度最大静应力的曲线。Gm-σst曲线绘制期间，需先固定好跌落高度，在最适宜跌落高度条件下，择取不同衬垫厚度，并建立起参数方程式，每择取一个厚度值便会有相应方程及曲线形成。故相同跌落度条件下，Gm-σst曲线所反应的曲线族相同，不同跌落度条件下，Gm-σst曲线所反应的曲线族也往往不同。从以上列式当中即可了解到，材料C-σm曲线与Gm-σst曲线当中，已知晓一种曲线，便可进行另外曲线的绘制，二者之间存在相互交换的关系。研究者在充分考虑到减少包装的材料及费用时，需借助虚拟相应曲线，让其最低点参数值与要求产品脆值相同。（Gmh）最低=常量、（Gmσst）最低=常量，再根据以上公式求出虚拟曲线衬垫厚度及最低点静应力参数值，获取衬垫面积，即为储水型电热水器内部缓冲衬垫实际厚度及面积[2]。
图1-3加速度最大静应力的曲线示图
2.2 设计与优化储水型电热水器的缓冲衬垫整体结构
2.2.1 择选缓冲衬垫的材料
严格遵循产品包装缓冲设计基本原则及两条的缓冲线实际使用要等，结合储水型电热水器整体结构基本他怎及缓冲材料各项性能，决定此次实践设计的缓冲衬垫选用聚苯乙烯的泡沫材料作为其缓冲衬垫，借助局部缓冲的包装法，对电热水器的缓冲衬垫结构相关尺寸进行设计，计算及校核缓冲衬垫。
2.2.2 设计缓冲衬垫的原型结构
本次试验研究主要依据储水型电热水器承载部位及易损外壳部分，来进行缓冲衬垫的结构设计，该储水型电热水器外部整体造结构为圆柱体，与电脑主机、冰箱及电视等外部形状较为不同，它并无棱角，并是适用于一般角垫的支撑方法。故设计衬垫原形的结构期间，因储水型电热水器外形及重量呈现着对称性分布状态，适宜运用天地垫设计方案，把衬垫设计为左右相互对称式结构，把储水型电热水器缓冲床垫的面积平均分到上与下两个端面，各个端面均设计好相应衬垫。结合储水型电热水器尺寸重量、衬垫面积于厚度参数值等，设计好缓冲衬垫基本的尺寸为496mm*452mm*104mm，104mm代表衬垫厚度。设计期间，借助对于储水型电热水器上下端面投影可了解到，它呈现着圆形影响，且两个端面的结构当中中间向者内部凹陷，依据这两个基本特征，可判定衬垫及储水型电热水器端面凹凸，宽度处于相等状态，该面为受力面，也是固定面，凹陷深度为17mm，与储水型电热水器端面向内部凹陷深度等同。依据衬垫实际厚度计算参数值，半径处于185mm处圆面，向内部凹陷深度即为87m。为节约材料，需在衬垫内部端面各自开相应省料孔，以四个为宜。省料孔深度以34mm为宜，衬垫两个端面所挖省料孔结构的尺寸与其内部端面应当相同，具体如图2所示。装配期间，电热水器两端应各自嵌合进入凹槽，如图3所示，为具体装配效果。
图3 电热水器的缓冲包装具体装配效果示图
结语
综上所述，通过以上分析论述之后我们对于电热水器整体缓冲式包装结构的设计与优化实践工作有了更加深入全面地认识及了解。可以说，该项工作内容极具复杂性及特殊性，对设计者的专业素质及能力有着较高要求。那么，为了能够更好地开展电热水器整体缓冲式包装结构的设计与优化实践工作，设计技术员应掌握最佳的、最为有效地电热水器整体缓冲式包装结构的设计与优化方法，提升电热水器整体缓冲式包装结构的设计与优化效果。
[参考文献]
[1]张业鹏, 刘璐. 基于有限元法的电热水器缓冲衬垫轻量化设计及优化[J]. 包装工程, 2013(15):64-69.
[2]刘璐, 张业鹏. 储水式电热水器缓冲包装结构设计[J]. 包装工程, 2013(3):88-91.
论文作者:刘国炫
论文发表刊物:《科技新时代》2019年3期
论文发表时间:2019/5/9
标签：衬垫论文; 电热水器论文; 曲线论文; 应力论文; 结构论文; 端面论文; 厚度论文; 《科技新时代》2019年3期论文;