根据冲击响应谱_SRS_确定产品冲击脆值新概念

根据冲击响应谱(SRS )确定产品冲击脆值新概念

宋宝丰

(株洲工学院湖南株洲　412008)

[摘要]　实践证明,缓冲设计五步法存在保守因素,尤其在确定产品冲击脆值时更为突出,最终

致使包装结构为过度包装。现提出根据实际输入激励下冲击响应谱(SRS )确定新的产品冲击脆值概念,此概念可为缓冲包装设计克服上述弊端提供一个可行方法。

关键词:冲击响应谱;缓冲包装设计;产品冲击脆值

中图分类号:TB487　文献标识码:B 文章编号:1001-3563(2004)01-0016-02

The N e w Concept of Determining Product Shock Fragility B ased

on Shock R esponse Spectra (SRS)

SON G Bao -feng

(Zhuzhou Institute of Technology ,Zhuzhou 412008,China )

Abstract :It was demonstrated that cushioning design 5steps method has some conservative factors ,especially when used to decide the product shock fragility and led to overpackaging at last.The new concept of product Shock fragility determined by shock response spectra (SRS )according to practical input impulses was put forward and this concept can provide an available approach to overcome the malady.

K ey w ords :SRS ;Cushioning packaging design ;Product shock fragility

收稿日期:2003-12-04

作者简介:宋宝丰(1940-),上海人,硕士,株洲工学院教授,主要研究方向为运输包装及结构设计等。

缓冲包装设计“五步法”是由美国密歇根州立大学包装学院和M TS 公司在20世纪70年代后期共同提出的[2],这种方法提出以后很快被包装企业界所采纳,而且也被欧、日等很多工业发达国家所接受。美国与其他很多国家也把这种设计方法编入本国工业标准,我国在1987年制定的一项国家标准“缓冲包装设计方法”也是在五步法原理的基础上制订的。此外,这一方法的内容都已编入普通高校包装工程专业的教材中。所有这些都说明“五步法”在运输包装结构设计中起到了历史性重要作用。但是,多年来的实践证明,这种缓冲设计方法具有多方面的保守性,造成包装结构为过份包装,这无论从降低包装材料、减少运输成本方面,还是从保护环境、节省资源方面,都是带来了很多不利的影响。随着经济全球化的加速和世界物流体系的发展,努力克服过分包装带来的弊端已引起国际

国内包装界和运输界的重视。

[1,3～5,7]

1　冲击脆值的保守性

目前,产品冲击脆值的确定方法仍然沿用二十多年前由美国学者纽登提出的冲击脆值破损边界理论及其试验方法。这一方法已经由美国试验与材料协会(ASTM )编制成工业标准,这一标准已经成为美国与其他国家制订相关标准时的一个参考蓝本。

对于需要有缓冲垫的产品而言,根据上述试验方法和程序所求得的最重要参数就是通过接近于矩形波的梯形波形冲击脉冲获得冲击脆值(临界最大冲击加速度)。之所以要采用这种形式冲击脉冲,是因为这样可在产品上形成最大的响应值,或者说可以在较低的输入加速度下就有可能产生产品的破损。但是,在实际情况下的冲击脉冲不可能是理想的梯形波,因而这种实验方法本身具有保守因素。

应用梯形波激励的原因还在于在破损边界曲线图上很易建立呈水平线的临界加速度边界。因为通过梯形脉冲波的激励,其响应加速的幅值基本上是平行于横坐标的一根直线,这就意味着只需要一项试验即可完成。如果激励波形不是梯形或矩形,那么,其响应临界加速度边界曲线不可能是一条平行于横坐标的直线。那么,这表明实际的破损区域应该缩小。

应用梯形激励波的另一重要原因,还可能是大多数冲击试

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1包装工程　PACK A GIN G EN GIN EERIN G Vol.25No.12004

验机的压缩气缸需要对波形进行调节,而矩形波或梯形波的调节显得比较容易。只要通过调节试验机台面高度或压缩气缸的压力即可快速地改变冲击加速和速度变化值,并且绘制出破损边界曲线。但是,要较精确地调节半正弦脉冲波条件下的各项参数水平往往是一件十分繁杂的事,因为,要达到加速度幅值、速度变化值和预定波形三者之间的关系,必须要在弹性垫和跌落高度之间进行不断调节才行。然而,为了追求试验的简便性,就造成了提高包装成本的代价。实际上,通过缓冲垫传递的冲击波形一般都接近于半正弦波,即使直接进行冲击跌落实验也大多数不可能出现梯形波。所以,根据梯形脉冲波来确定产品的冲击脆值必然会带有保守性。

2　冲击响应谱的实效性

根据振动理论可知,冲击响应谱可以描述单自由度振动系统受到一定的冲击作用时,响应的最大值与振动系统的固有频率的关系曲线。在作冲击谱时,所用的激振值可以是激振力、基础激振的位移、速度或加速度。所用的响应值可以是振动体的绝对位移、绝对速度或绝对加速度,也可以是振动体相对于基础的相对位移,相对速度、相对加速度等。在讨论运输包装结构时,通常使用绝对响应加速度值作为研究对象。冲击响应谱曲线上,实际可以表示出每一个单自由度系统的响应加速度幅值与其各个不同固有频率之间关系。

由上述可知,冲击响应谱可以提供一种实际产品结构或其不同元件对应于给定输入冲击脉冲的响应值。可以理解,此处讨论的是产品结构体系对冲击载荷的响应,根据此响应将可以直接分析产品是否会发生破损现象,而不必再去考虑输入冲击激励呈何种波形的问题。这就是利用冲击谱分析结构完整性和可靠性时所具有一种实效性。冲击谱大致可分为初期冲击谱,剩余冲击谱和相对位移冲击谱等。根据最大响应作出的冲击谱,可称为初期冲击谱,这可以为缓冲包装设计和冲击隔离设计提供必要的参数依据。在制作冲击谱时,常常忽略阻尼的影响,因为结构系统出现最大变形之前,阻尼尚未发挥出消耗能量的作用,而忽略阻尼虽然会带来一定误差,但可以简化计算过程并可以得到一个安全系数的好处。

3　冲击谱与冲击脆值的关系

在参考文献[6]中已有介绍,也有不少人作过研究,那就是对应于矩形波、半正弦波、正矢波、后峰锯齿波等这些理论性冲击脉冲来说,是可以通过理论计算方法求得其SRS的。然而,对于实际现场试验的冲击波形而言,都是十分复杂的波形,好在目前有条件可以通过冲击试验机及其先进的数据处理装置来获得其SRS曲线。关于SRS试验曲线的获取方法及具体实例可参阅参考文献。[1,4,5,7]

从SRS图上可以看出,不同频率下的响应加速度幅值Gs 值是不同的,而此时考虑的只是响应加速度的幅值大小,不必计及输入激励波形如何。为使之与产品冲击脆值相联,就要提出冲击脆值新的概念,因为以往讨论产品冲击脆值时,一般都是指输入到产品上激励加速速度的临界值来衡量的,而此时从冲击响应谱上分析,则是考虑到产品关键零件上响应加速度的临界值,可写成Sc。

现在,只要知道某一个产品结构系统包含的易损组件的固有频率(根据实际测试或有限元法计算等),那么,就有可能有效地利用该产品的SRS曲线来展开缓冲包装设计工作。显然,在这种条件下,运输包装件的缓冲垫结构传递的冲击加速度数值,只需要易损零组件固有频率的频带范围内响应加速度幅值均低于SRS曲线上临界加速度Sc值即可。这样,缓冲设计的目标不是针对运输包装件结构传递输入加速度峰值不能超过产品冲击脆值G,而是在SRS图上不能超过响应临界加速度Sc了。这种方法突出地弥补了由于不同输入脉冲波形所带来的影响。因为,结构设计方案基于产品的“响应”,而不是输入的“激励”。显然,这种设计方法将会有效地克服冲击破损边界曲线上所带来的过多的保守性,提高了缓冲包装设计的合理性。

4　结　语

利用SRS分析技术并对产品冲击脆值的概念作出新的调整以后,可以提高产品缓冲包装结构设计的合理化水平,克服过多的保守性,其主要原因在于冲击响应谱可以直接反映产品结构体系中易损零组件的临界响应加速度幅值的大小,因而也可以直接分析其破损状态的合理界限,为缓冲包装设计提供更合理的科学依据。

[参考文献]

[1]　宋宝丰.产品脆值理论及应用[M].长沙:国防科技大学出版社,

2002.

[2]　5-Step Package Development.MTS System Corp.1975.

[3]　H.H.Schueneman.Overpackaging:Unnecessary Evil That Can be

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[4]　ing Shock Response Spectra to Design Cush2

ioned Packages.In:R.M.Fiedler,eds.Best of Transpack,

IOPP,1996.167-180.

[5]　谢勇,潘松年,宋宝丰.复杂激励条件下产品易损性评价方法的探

讨[A].全国第五届包装动力学与结构设计学术会议论文集[C].

重庆,1994.130-135.(余不详)

[6]　R.E.Newton,Fragility Assessment Procedures,Theory and Test.

MTS System Corp.Report160,1968.

[7]　李蓓蓓.冲击响应谱[J].包装工程,2003,24(5):9-11.

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