基于路譜分析的緩沖包裝仿真方法

曹梅麗，張永林

(武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

摘要：為了更真實(shí)地模擬緩沖包裝系統(tǒng)在物流過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究一種基于路譜分析的緩沖包裝仿真方法。將國家等級(jí)公路的功率譜數(shù)據(jù)、中國典型道路的路譜數(shù)據(jù)作為輸入，在仿真軟件里進(jìn)行貨車動(dòng)態(tài)仿真，得到貨車車廂底板加速度數(shù)據(jù)，將這個(gè)數(shù)據(jù)作為緩沖包裝系統(tǒng)的激振源，進(jìn)行緩沖隔震仿真。該方法能夠真正意義上模擬緩沖包裝系統(tǒng)在真實(shí)物流環(huán)境下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，校核緩沖包裝系統(tǒng)的緩沖性能。

關(guān)鍵詞：路譜；緩沖包裝；仿真

收稿日期：2015-03-10.

作者簡介：曹梅麗(1980-)，女，副教授,E-mail:105414945@qq.com.

文章編號(hào)：2095-7386(2015)03-0057-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.03.012

中圖分類號(hào)：TB 485

Method on simulation for cushioning packaging

based on road spectra analysis

CAOMei-li,ZHANGYong-lin

(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023,China)

Abstract：To simulate the dynamic response of the cushion packaging system under the logistics environment actually, a method on simulation for the cushioning packaging system based on road spectra analysis was developed. The road power spectral data of the national classified highways and the typical roads in China were conducted as input of the dynamic simulation for a truck in simulation software, and the acceleration data of the boxcar’s baseboard can be gotten, which is the excitation sources of the simulation for the cushioning packaging system. The response of the acceleration of each kind of truck on every classified highway and typical road in China comprises the database of the logistics environment.The method can simulate the cushioning packaging system in the real logistics environment actually , and provide a new test method for the cushioning packaging.

Key words：road spectrum; cushion packaging; simulation

1引言

汽車平順性指：保持汽車在行駛過程中乘員在振動(dòng)環(huán)境中具有一定舒適性的性能，對貨車而言，還包括保證貨物完好的能力[1]。車輛工程領(lǐng)域著重研究乘用車(小轎車)的路面輸入、懸架系統(tǒng)對乘員舒適性的影響，少見對商用車(貨車)貨物完好性的研究。而貨物完好性的研究只在包裝工程領(lǐng)域得到充分研究，但基于沖擊試驗(yàn)，理論依據(jù)是脆值理論或易損度，偏向于貨物本身性能和包裝材料緩沖特性的研究，未將貨物完好性置于路面環(huán)境中進(jìn)行研究。

基于上述原因，筆者將汽車領(lǐng)域的平順性要求與包裝工程領(lǐng)域的緩沖包裝結(jié)合起來，提出了一種基于路譜分析的緩沖包裝仿真方法。該方法能夠真實(shí)模擬物流過程中的路況對緩沖包裝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，校核緩沖包裝系統(tǒng)的緩沖隔震性能。

2汽車平順性評(píng)價(jià)方法

汽車平順性國內(nèi)外研究較多，且有多種評(píng)價(jià)方法[2-4]。車輛的平順性評(píng)價(jià)方法有主觀評(píng)價(jià)方法和客觀評(píng)價(jià)方法。主觀評(píng)價(jià)由有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員和乘客組成專門小組來完成汽車行駛平順性的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)可信度隨參評(píng)人員數(shù)量的增加而增加。客觀評(píng)價(jià)方法由測量儀器完成對隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣、記錄和數(shù)據(jù)處理。目前具體的方法有：K 系數(shù)法、吸收功率法、1/3倍頻帶分別方法，總的加速度加權(quán)均方根值評(píng)價(jià)法，加速度加權(quán)均方根和等效均值綜合法等[5-8]。有關(guān)學(xué)者對各種方法進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)加速度加權(quán)均方根值最直接地反映了汽車平順性的優(yōu)劣[9]。

對貨物而言，沒有不舒適的感覺，評(píng)價(jià)指標(biāo)就是失效，即不完好。為保護(hù)商品在流通過程中不因受到?jīng)_擊和振動(dòng)而失效所進(jìn)行的包裝稱為緩沖防振包裝，亦稱緩沖包裝。為了實(shí)現(xiàn)合理的緩沖包裝，需涉及包裝材料、商品流通系統(tǒng)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、包裝結(jié)構(gòu)、緩沖包裝材料和試驗(yàn)測試技術(shù)等方面，但緩沖包裝研究重點(diǎn)在于包裝容器的緩沖功能。

3傳統(tǒng)的緩沖隔震包裝研究方法

1945年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Mindlin和他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組把機(jī)械振動(dòng)分析理論應(yīng)用到歷來靠“試探法”或憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的包裝領(lǐng)域中來,形成了獨(dú)特的“緩沖包裝理論”[10]。1968年,Newton提出了包裝產(chǎn)品破損的邊界條件理論,建立了脆性評(píng)定定理及其測試方法,并被載入美國材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)[11]。20世紀(jì)80年代,美國MTS系統(tǒng)有限公司與密執(zhí)安州立大學(xué)包裝學(xué)院共同研制出緩沖包裝的5步設(shè)計(jì)法,后來發(fā)展為更完善的緩沖包裝設(shè)計(jì)六步法：(1)確定流通環(huán)境條件；(2)產(chǎn)品脆值估計(jì)；(3)產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)；(4)襯墊材料的計(jì)算；(5)設(shè)計(jì)包裝系統(tǒng)；(6)試驗(yàn)包裝系統(tǒng)原形,并給出了每一步驟應(yīng)貫徹的ASTM標(biāo)準(zhǔn),從而為緩沖包裝設(shè)計(jì)理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[12]。

最近一些年，仿真技術(shù)在緩沖包裝領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，該方法通過對被包裝對象與包裝容器組成的包裝系統(tǒng)建模，然后對材料進(jìn)行定義，施加載荷與約束，分析某緩沖包裝下的產(chǎn)品的響應(yīng)，對緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核,指導(dǎo)緩沖包裝設(shè)計(jì)[13-15]。該方法可以克服以往將緩沖包裝系統(tǒng)作為單自由度、二自由度處理進(jìn)行理論計(jì)算的局限性，但緩沖包裝的仿真仍然是建立在沖擊試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行的是沖擊仿真，少見實(shí)際路況振動(dòng)下的仿真。

4基于路譜分析的緩沖包裝仿真方法

要模擬真實(shí)物流狀態(tài)下的緩沖隔震性能，必須將路面信息考慮進(jìn)去。貨物在運(yùn)輸過程中受到強(qiáng)迫振動(dòng)，這種強(qiáng)迫振動(dòng)一方面來自汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，另一部分來自于路面高程的激勵(lì)。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)，對貨物影響不大，對貨物有影響的主要是路面不平度引起的寬頻帶振動(dòng)。

基于路譜分析的緩沖設(shè)計(jì)方法，將路況作為輸入，路況一般由路面不平度即道路表面對于理想平面的偏離。路面不平度輸入通過貨車輪胎和懸架系統(tǒng)到達(dá)貨車車廂底板，其加速度響應(yīng)就是緩沖包裝設(shè)計(jì)的激勵(lì)源。在仿真軟件里建立緩沖包裝系統(tǒng)模型，將貨車車廂底板的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)作為輸入，即可得到緩沖包裝系統(tǒng)的響應(yīng)，校核緩沖結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)緩沖包裝設(shè)計(jì)。

基于路譜分析的緩沖包裝法需要將路面不平度數(shù)據(jù)庫、仿真技術(shù)結(jié)合起來，對計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)要求較高。

4.1路庫數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

在發(fā)達(dá)國家，數(shù)據(jù)庫在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用已相當(dāng)普遍,多種高質(zhì)、高效的集成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已應(yīng)用于緩沖包裝設(shè)計(jì)。中國數(shù)據(jù)庫技術(shù)在包裝行業(yè)的開發(fā)應(yīng)用和發(fā)達(dá)國家差距大, 但也建立了一部分?jǐn)?shù)據(jù)庫如：流通環(huán)境數(shù)據(jù)庫、飲料包裝材料數(shù)據(jù)庫、食品包裝方法數(shù)據(jù)庫、各國包裝設(shè)計(jì)偏好數(shù)據(jù)庫等，豐富了中國包裝專業(yè)知識(shí)體系。其中流通環(huán)境數(shù)據(jù)庫中包括氣象條件數(shù)據(jù)庫, 裝卸搬運(yùn)數(shù)據(jù)庫, 運(yùn)輸工具沖擊、振動(dòng)數(shù)據(jù)庫[16]。振動(dòng)數(shù)據(jù)庫僅列舉了水上運(yùn)輸、空運(yùn)和公路運(yùn)輸?shù)念l帶范圍，未將路面不平度數(shù)據(jù)庫劃進(jìn)來，使振動(dòng)源數(shù)據(jù)不夠具體真實(shí)。國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)現(xiàn)代交通技術(shù)領(lǐng)域汽車開發(fā)先進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目成立課題組——中國典型汽車道路譜統(tǒng)計(jì)測量及應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，對全國各地的道路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫建立、路面模型及道路譜重構(gòu)、專業(yè)應(yīng)用軟件編寫、驗(yàn)證試驗(yàn)以及標(biāo)準(zhǔn)起草等工作[17]，該項(xiàng)目建成的數(shù)據(jù)庫可以查詢到全國各地區(qū)路面的路譜信息，這些數(shù)據(jù)和國家等級(jí)公路數(shù)據(jù)一起可以組成流通環(huán)境振動(dòng)原始數(shù)據(jù)庫。

4.2貨車車廂底板的動(dòng)態(tài)仿真

路面不平度作為輸入經(jīng)過輪胎、懸架系統(tǒng)到達(dá)貨車車廂底板，這個(gè)過程可以通過ADAMS/car這一類仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)。ADAMS/car模塊里有車輛整車樣機(jī)模型，在建模過程中，只需根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸工具參數(shù)，改變模型變量值，系統(tǒng)就可以自動(dòng)更新樣機(jī)模型，得到同結(jié)構(gòu)下的新車型，也可以自己創(chuàng)建全新的整車模型。

車輛的輸入可以是力、位移，其形式可以是正弦掃描激勵(lì)、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量激勵(lì)或是功率譜密度函數(shù)，或者是用戶自定義的函數(shù)，輸出可以是位移、速度、加速度等。

路面數(shù)據(jù)一般表示成功率譜形式[1]：

(1)

式中,n為空間頻率；n0為參考空間頻率；Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數(shù)；w為頻率指數(shù)，決定路面功率譜密度的頻率結(jié)構(gòu)。按路面功率譜密度的量度把路面不平度分為8級(jí)。

4.3貨車車廂底板的動(dòng)態(tài)仿真

輸入某等級(jí)的國家公路的功率譜密度函數(shù)，對上述整車模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，可得到某貨車在等該級(jí)道路上車廂底板的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)?？梢暂斎胫袊湫偷缆纷V的功率譜密度函數(shù)，得到中國各典型道路上某型號(hào)貨車貨車車廂底板加速度。同理改變貨車模型，就可以得到市場上典型貨車在國家等級(jí)公路上或中國典型道路上的車廂底板加速度數(shù)據(jù)庫。

在對緩沖包裝系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，不需要對車輛在物流環(huán)境中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，可直接從上述加速度數(shù)據(jù)庫里導(dǎo)出某車在某路上的車廂底板加速度數(shù)據(jù)，作為緩沖包裝系統(tǒng)的振動(dòng)源，在ANSYS、ADAMS等仿真軟件里進(jìn)行振動(dòng)仿真分析，輸出產(chǎn)品加速度，進(jìn)行比較分析，即可對某緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核、設(shè)計(jì)。

5結(jié)束語

基于路譜分析的緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠更真實(shí)地模擬實(shí)際物流狀態(tài)。此方法工作量大，因此可以將各型號(hào)貨車車廂底板在各等級(jí)公路和中國典型公路上的加速度響應(yīng)建成數(shù)據(jù)庫供緩沖設(shè)計(jì)用。后續(xù)的緩沖包裝設(shè)計(jì)只需要將該數(shù)據(jù)庫里的加速度數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行緩沖仿真設(shè)計(jì)即可。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003:173-174.

[2]趙繼海，王哲人．路面不平度的測量分析與應(yīng)用[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2000．

[3]Oldrich Kropac, Peter Mucka. Be careful when using the international roughness index as an indicator of road unevenness [J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 287: 989-1003.

[4]VincentRouillard, Ben Bruscella, Michael Sek. Classification of road surface profiles[J]. Journal of Transportation Engineering. 2000, 1(2): 41-45.

[5]Ibrahim I M. Non-linear simulation model for articulated vehicles with controllable dampers and flexible sub-structures[R]. SAE Technical Paper, 2002.

[6]Cniffin．Duration of whole-body vibrafion exposure：Its effects on comfort[J]．Journal of Sound and Vibration,1986,48:333-339.

[7]Eicbberger A,Rulka W. Process save reduction by macro joint approach: The key to real time and efficient vehicle simulation[J]. Vehicle System Dynamics, 2004, 41 (5): 401-413.

[8]于學(xué)華．汽車平順性技術(shù)理論與實(shí)踐研究[M]．長春：東北林業(yè)大學(xué),2002.

[9]湯愛華，康小鵬，歐健,等. 車輛平順性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)適用性分析[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011, 5(24 ):530-532.

[10]Mindlin R D. Dynamics of package cushioning [J]. Bell System Technical Journal, 1945，24 (304) : 352-361.

[11]Newton R E. Fragility assessment theory and test procedure [M].Monterey Research Laboratory, 1968.

[12]周明硯, 張峻嶺.緩沖包裝設(shè)計(jì)理論的發(fā)展及方向[J]. 包裝工程,2005,2(26):70-71.

[13]郭勇,盧富德,高德,等.基于MATLAB/GUI 緩沖包裝動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)與沖擊，2014,2(33):81-83.

[14]郭彥峰，付云崗，許文才,等. 緩沖包裝件的運(yùn)輸包裝性能測試與評(píng)估技術(shù)[J].包裝工程，2006,1(27)：26-28.

[15]金海軍, 張志勇.緩沖包裝設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)仿真模擬[J]. 包裝與食品機(jī)械，2006,6(24):7-9.

[16]劉乘,李瓊.緩沖包裝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫[J].包裝工程，2006，4(27)：100-101.

[17]錢金戈.VPG中虛擬路面再造方法及其仿真研究[D].江蘇：蘇州大學(xué)，2010.