一种缓冲衬垫、夹具及平板电视、缓冲衬垫设计方法与流程

本发明属于电视配送器具的缓冲衬垫设计技术领域，尤其涉及一种缓冲衬垫、夹具及平板电视、缓冲衬垫设计方法。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：随着科学水平日益进步和中国经济的飞速发展，平板电视已经进入大众市场，而由于平板电视的脆性很大，所能承受的冲击加速度值比较低，受外界激振的影响明显。在运输、仓储过程中，由于受到外力作用，对其产生冲击，会影响到电视的安全寿命。因此研究平板电视包装件的防振缓冲性能和进行缓冲包装设计不仅迫切，具有较高的实用价值。产品包装件的流通环境条件、产品本身的特性（如产品脆值、耐振度和几何尺寸等）缓冲包装材料的特性是产品缓冲包装设计的三大构成要素，其中产品本身的特性（脆值等）是内因、是基础，流通环境条件是外因、是条件，缓冲材料是手段，三者之间互为关联，形成了保证产品包装质量的系统工程。因此，产品包装设计的重要目的就是如何防止产品包装件因遭受外力作用而产生的机械损伤，其最主要的办法就是利用缓冲包装技术对内装产品进行缓冲包装，其目的就在于利用缓冲包装材料的隔振性能将传递到内装产品上的振动、冲击强度减少到产品所能承受的范围之内。缓冲包装设计的目的，在于合理设计缓冲材料的形状和尺寸。所谓缓冲包装材料是指包装物品在流通过程中，因受外力的作用而遭受到冲击和振动时，能吸收外力产生的能量，以防止产品受损坏而使用的保护材料。缓冲包装材料在包装系统中主要起到吸收冲击能量，延长冲击时间，使传递到产品上的加速度值降低，有效保护产品。它一方面延长外部激励作用时间，降低包装产品对外界激励的动态响应，同时又发生塑性变形，耗散外界激励传递给包装产品的冲击与振动能量。在包装系统动力学模型中，缓冲包装材料提供恢复力和阻尼，是建立产品缓冲包装系统动力学模型的基础。

国外有很多缓冲包装的设计方法，但大多借鉴和采用美国mts公司的五步设计法。以包装动力学和实验室实验结果为首要考虑和主要手段的五步设计法是mts公司提出的一种实用型的设计方法，这种方法将分为五个步骤，它们分别是：（1）确定流通环境；（2）确定产品的易损性；（3）选用适当的缓冲垫；（4）创造原型包装；（5）试验原型包装。在之后的20世纪80年代，美国lansmont公司将原来由mts公司开发的五步设计法继续发展，在其基础上继续发展而形成了六步设计法。这种创新主要是将“产品改进”环节加入mts五步设计法的第二步和第三步中间。这一环节可以根据第二步测得的产品的易损性，对产品的结构进行改进或重新设计，这也是其主要作用。

有限元分析技术是20世纪50年代首先在连续体力学领域、飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元仿真分析的巨大优势使其在包装领域也得到广泛的应用，包括缓冲材料性能仿真研究、包装件静力仿真分析、包装件动态仿真分析、缓冲包装优化设计等方面，仿真技术的引入开创了包装测试技术的新篇章，使包装测试技术得到全新的发展与进步。

综上所述，现有技术存在的问题是：如何保证平板电视的配送安全；如何进行材料选择及符合力学要求。

解决上述技术问题的难度：

为了提供一种解决平板电视运输过程中的损耗问题。在考虑产品包装在流通过程中所受到的各种力，选用合理的缓冲包装材料，以优化平板电视在运输过程中的安全问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种缓冲衬垫、夹具及平板电视、缓冲衬垫设计方法。

本发明是这样实现的，一种缓冲衬垫，所述缓冲衬垫选取密度为0.014g/cm³的聚苯乙烯泡沫作为材料；厚度取10mm。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述缓冲衬垫的夹具，所述夹具包括：第一快拧螺纹机构、第二快拧螺纹机构、第一把手背架、固定位调节机构、第二把手背架、第三快拧螺纹机构、第四快拧螺纹机构、第一缓冲衬垫、第二缓冲衬垫；

第一快拧螺纹机构、第二快拧螺纹机构固定在第一把手背架上，第二缓冲衬垫安装在第一把手背架的内侧；

第三快拧螺纹机构、第四快拧螺纹机构固定在第二把手背架上，第一缓冲衬垫安装在第二把手背架的内侧；

第一把手背架通过固定位调节机构连接第二把手背架。

本发明的另一目的在于提供一种所述夹具在平板电视运输中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种所述夹具在电器运输中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种所述缓冲衬垫的设计方法，包括：

缓冲衬垫材料选择，选择聚苯乙烯材料；

缓冲衬垫厚度设计，

衬垫最大应力计算公式：；

衬垫厚度计算公式：；

其中，g表示脆值。

进一步，缓冲衬垫厚度设计的方法进一步包括：

42寸电视机平均重量20kg,平板电视的脆值g为70，等效跌落高度为250mm,产品落地时底面积为0.06m²；

衬垫最大应力下公式得到：

；

衬垫厚度下公式得到：

进一步，所述缓冲衬垫的设计方法进一步包括：

聚苯乙烯材料密度曲线的选择，同一种材料在不同密度下缓冲特性曲线不同，进行平板电视运输的密度曲线选择。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述缓冲衬垫的设计方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的缓冲衬垫的设计方法

所述缓冲衬垫的设计方法：

衬垫最大应力计算公式：；

衬垫厚度计算公式：。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明考虑了产品包装件在流通过程可能遭遇的各种力学环境，通过研究缓冲包装材料的力学特性与缓冲机理，对平板电视缓冲包装系统进行动力学描述，针对产品的受力情况进行分析，从产品质量是否均匀这两种情况出发，分别建立了缓冲包装系统的振动力学模型。这些结论对平板电视缓冲包装的设计与优化具有重要的参考价值。

本发明在平板电视进行配送过程中，为保证平板电视的运输质量而进行的夹具缓冲衬垫设计的思路及方法，具体解决两方面的问题：一是如何保证平板电视的配送安全；二是如何进行材料选择及符合力学要求。

本发明采取的技术方案基于mts提出的包装设计五步法和有限元分析技术。它利用聚苯乙烯材料具有缓冲性能强，可塑性高的特点将聚苯乙烯材料选择为缓冲衬垫设计的具体材料，通过查阅和计算得到了设计衬垫的厚度，从而对包装衬垫进行了设计，并且本发明在设计中引进了有限元分析技术，有限元仿真的方法对缓冲衬垫抵抗冲击的性能进行了验证，聚苯乙烯泡沫是满足设计要求的。

本发明通过综合考虑多种缓冲材料的缓冲个性和平板电视等产品的自身特性，选取密度为0.014g/cm³的聚苯乙烯泡沫作为夹具缓冲衬垫的材料，缓冲衬垫厚度为10mm。

附图说明

图1是本发明实施例提供的平板电视物流配送器具的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的第一把手背架和第二把手背架的结构示意图；

图中：1、第一快拧螺纹机构；2、第二快拧螺纹机构；3、第一把手背架；4、固定位调节机构；5、第二把手背架；6、第三快拧螺纹机构；7、第四快拧螺纹机构；8、第一缓冲衬垫；9、第二缓冲衬垫。

图3是本发明实施例提供的择缓冲材料时材料的种类和材料的密度示意图。

图4是本发明实施例提供的平面应变分析示意图。

图5是本发明实施例提供的单元划分示意图。

图6是本发明实施例提供的求得垫子内部弹性势能和电视垂直位移(时间和速度的乘积)的关系示意图。

图7是本发明实施例提供的弹性势能的增加曲线示意图。

图8是本发明实施例提供的撞击最后的米塞斯应力图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种缓冲衬垫、夹具及平板电视、缓冲衬垫设计方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的平板电视物流配送器具包括：第一快拧螺纹机构1、第二快拧螺纹机构2、第一把手背架3、固定位调节机构4、第二把手背架5、第三快拧螺纹机构6、第四快拧螺纹机构7、第一缓冲衬垫8、第二缓冲衬垫9。

第一快拧螺纹机构1、第二快拧螺纹机构2固定在第一把手背架3上，第二缓冲衬垫9安装在第一把手背架3的内侧。

第三快拧螺纹机构6、第四快拧螺纹机构7固定在第二把手背架5上，第一缓冲衬垫8安装在第二把手背架5的内侧。

第一把手背架3通过固定位调节机构连接第二把手背架5。

本发明提供一种所述缓冲衬垫的设计方法，包括：

缓冲衬垫材料选择，选择聚苯乙烯材料；

缓冲衬垫厚度设计，

衬垫最大应力计算公式：；

衬垫厚度计算公式：；

其中，g表示脆值。

作为优选实施例，缓冲衬垫厚度设计的方法进一步包括：

42寸电视机平均重量20kg,平板电视的脆值g为70，等效跌落高度为250mm,产品落地时底面积为0.06m²；

衬垫最大应力下公式得到：

；

衬垫厚度下公式得到：

。

所述缓冲衬垫的设计方法进一步包括：

作为优选实施例，聚苯乙烯材料密度曲线的选择，同一种材料在不同密度下缓冲特性曲线不同，进行平板电视运输的密度曲线选择。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

1、确定流通环境，包装可以有效的减少货物在运输途中的振动，减振和跌落时的缓冲也是其主要作用，在货物运输流通时，外部因素如果会对产品造成负面作用甚至损坏，那么这些外部因素统称为流通环境。本发明主要讨论跌落冲击和运输中的振动为主的流通环境。流通环境中，想要确定货物的冲击环境，那么就要给出物品的跌落高度，在各种对货物造成损害的冲击中，装载或卸下货物的工人由于不小心而导致货物跌落到地面是对产品最大的冲击形式，也是主要导致产品破损的原因。

其他形式的冲击也有很多，比如运输过程中经常出现的水平冲击和垂直冲击，在运输货物的车辆和装卸货物的起重机的启动、停止和急刹和运输过程中货物的滑动，又比如铁路运输中火车碰钩挂接的过程，再比如运输货物的飞机在起飞和降落过程中造成货物的滑移，这些冲击，无论是垂直的还是水平的，都可以按其加速度折算为等效跌落高度。有此也可以看出等效跌落高度在考量包装抗冲击性能方面是一个非常科学和方便的，所以，人们往往将流通环境的设计归结为确定包装的跌落高度。

对于常用的货物，通过非常全面的调查和试验测试，可以等到包装件的跌落高度或等效跌落高度。人们对这些数据进行分析，发现包装件的质量和尺寸对包装件的跌落高度有很大的影响，当靠人力运输货物时，一个身体健康的工人，在搬运大概三分之一自身体重的货物时不容易产生疲劳，并且拥有最高的劳动效率。但是随着货物的增加，双手的力量逐渐不能够将货物抱起，就会采取用肩膀去扛货物的情况，在这种情况下如果货物跌落地面，那么就会很大的增加货物的跌落高度，但是随着货物重量的继续增加，一个人的人工力量无论如何也不能运输货物，那么就必须由两个人去抬货物，这时因为货物距离地面较近，它的跌落高度又会降低。如果货物的重量继续的增加，人力搬运就更困难，往往采用机械装卸的办法，而机械装卸会使货物跌落的几率大大减少，而这个时候，货物受到的主要冲击是由于加速、制动等因素造成的，而此时的跌落高度就是一个折算高度，一般来说，小于人工时的跌落高度。

当确定好货物的跌落高度以后，就需要设计包装件的包装，也就是设计缓冲衬垫。对于流通环境，冲击对货物的影响远比振动大的多，所以缓冲衬垫的设计往往是根据冲击环境进行设计的。其后再做相应的校核，所以确定包装件的跌落高度非常重要，是整个设计过程中不可或缺的一步。

如果跌落高度取值过小，虽然在包装方面会降低成本，但是如果包装破损或跌落造成货物损坏，会造成不必要的经济损失，这种实际上是增加货物的成本，但是如果跌落高度取值过大，虽然能够减少包装破损的发生，包装所需要的费用也会相应的增高，这种也是增加货物的成本，通常以通过相应国家标准的试验为合格，所以缓冲包装的跌落高度往往依据其设计。

本发明主要考虑采取人工的方式进行平板电视的配送，配送人员通过器具外面的背带对平板电视进行运输，这种情况下，跌落主要是由于卸下货物时背带脱手造成的，故本发明的跌落高度的取值考虑到人手腕距离地面的高度、背带的影响、电视机安装螺纹孔距电视机底部的距离及减震垫的厚度等各个方面，取跌落高度为250mm。

2、确定产品的易损性

产品在收到冲击或振动时地坑破损的能力称为其破损性，一般来说，试验相对于理论计算可以更加直接的检验产品的破损性，然后可以确定产品在该冲击环境下的各种变量。但是考虑到试验成本和试验条件，可以通过查询相关资料的方法获取典型产品的相关标准，比如说本发明用到的脆值数据。

通过查询美国军用标准、英国综合防护手册、日本防卫厅标准，经过综合分析，最后取平板电视的计算脆值g=75。

3、选用适当的缓冲垫

在五步设计法，前两个步骤的设计，第三步是缓冲材料的缓冲曲线的设计，适当的缓冲区的相应材料的选择，例如面积和厚度计算衬垫，这样，既经济又安全的缓冲包装就设计出来了。

1)选择缓冲材料时的基本要求

材料价格实惠并且货源充足，比较容易加工和包装，包装废弃物处理简单，不污染环境。

弹性材料，良好的缓冲性能，粘弹性恢复变形性好，良好的抗蠕变和塑性变形能力，在伸长变形过大和冲击载荷过大的时候容易弯曲。

材料重量轻，适应温度范围大，吸水率好，不易产生静电，材质柔软，容易在产品内部变形。

2)常用的各类衬垫材料

虽然很难对付易污染环境的泡沫包装废弃物，但大多数包装都使用泡沫缓冲材料的情况仍然存在。之所以如此，是因为这种材料的质量小，弹性变形，良好的缓冲性能，易于注塑，适合用为衬垫，便于包装，能够适应现代工业生产线组装线的要求，并且泡沫货源充足，价格低廉，在技术和经济方面其他替代材料很难与其相抗衡。因此，如果国家不禁止其使用，市场上最常用的仍然是泡沫缓冲材料。

纸浆料纸，瓦楞纸板，模压纸浆为原料的纸浆垫等统称为纸浆模塑材料。由于泡沫废料物污染环境，纸浆状物质越来越多的受到社会关注，人们使用的，而不是泡沫的包装材料事实上和期望上越来越高了。

由于橡胶的机械性能，用于生产这样的衬垫产品橡胶垫是很合适的。虽然橡胶有较高的价格，但可以重复使用，所以考虑长期的经济性和环保性橡胶垫是很合理的。橡胶主要分为发泡橡胶和橡胶黏结纤维。发泡橡胶具有均匀的孔结构，密度和质量小，有优异的弹性和韧性，可以做成各种形状的衬垫，它的性能比发泡塑料好很多，但是因为其价格比较昂贵，尚未得到广泛的应用。橡胶黏结纤维是以橡胶为基料与黏结剂、以动植物纤维为充填材料加工而成的缓冲材料称为纤维橡胶。橡胶和纤维的纤维和纤维，纤维和橡胶有很大的空隙，所以橡胶纤维弹性变形大，弹性恢复好，抗压强度高，对于精密仪器和有军事价值的产品这种需要有良好的弹性材料作为包装的产品，是非常适用的。

还有其他类型的缓冲材料比如各种形式的气泡膜，碎片和纤维材料等，本设计中并没有涉及到，故暂不介绍。

3)缓冲材料与产品特性的匹配

缓冲材料的种类有许多，不同的材料具有的缓冲特性曲线也不同，由于采取了不同密度的不同缓冲特性曲线，缓冲特性曲线是不同的。在如此多的缓冲材料中究竟选择哪一种材料作为缓冲衬垫呢。这个问题就是缓冲材料与产品特性(质量、脆值、形状、尺寸)的匹配问题，不能离开产品抽象地评价缓冲材料的优劣。如果选择了与产品特性不匹配的材料，设计出来的衬垫就会很厚，违背经济合理的原则。因此，选择缓冲材料不但要满足缓冲包装对材料的一些基本要求，更要注意匹配问题，将产品特性作为选择材料的基本依据。

选择缓冲材料时材料的种类和材料的密度都要考虑。如下图3所示：

同样是黏结纤维，取不同的密度，就会有不同的缓冲特性曲线，彼此差别很大。所以，改变材料的密度可以调节材料的缓冲性能，使缓冲材料的选择更加合理。

4、衬垫厚度计算

经调查，42寸电视机平均重量约为15kg，考虑到我们的配送器具质量和整体的安全性，取平板电视的平均质量为20kg。由上文确定流通环境和确定产品易损性，取平板电视的脆值g=70，等效跌落高度为250mm，产品落地时一般为下表面，底面积约为0.06m²。

衬垫最大应力可从公式(1)得到：

(1)

其中为衬垫的计算最大应力，g为脆值，w为平板电视重力，a为其下表面面积。查阅相关图表这个产品相匹配，该材料是聚苯乙烯泡沫，密度0.014g/cm3，缓冲系数c=3.5。衬垫厚度可从公式(2)得到：

(2)

其中h为衬垫厚度，c、h和g分别为缓冲系数、跌落高度和脆值。因配送器具为重复使用，考虑到泡沫聚苯乙烯会有老化等不良因素影响，所以衬垫厚度取10mm。

5、衬垫的仿真实验分析

1)有限元软件abaqus介绍

abaqus是一个功能强大的应用非常广泛的有限元软件，可以解决非常复杂的非线性问题，丰富的单元库使其可模拟任意几何形状并拥有各种类型的材料模型库。abaqus为用户提供了广泛的功能，复杂的问题可以方便的求解。在非线性分析中，abaqus能自动选择合适的荷载增量和收敛限度。通过分析过程中进行调整以获取准确的解决方案。

abaqus软件中有两个主要的求解器-abaqus/standard和abaqus/explicit。abaqus还包含一个全面支持求解器的前处理图形用户界面，abaqus/cae并对一些特殊问题提供了相应的模块。因为abaqus优秀的分析能力和可靠性使其在各领域被越来越多的国家和企业采用。

2)模型的建立

考虑与地面接触主要是平板电视的下座，所以本章主要分析下座落地时减震垫的受力情况。将地面视为刚体，而平板电视视为杨氏模量很大的弹性体。

经查阅，泡沫聚苯乙烯的杨氏模量约为e=3000mpa、泊松比为0.3。

选取电视机的和防震垫的截面，为了方便计算，本发明将防震垫的宽度加大以减少计算误差，进行平面应变分析如图4所示。

3)网格的选取和划分

根据要求，选择对防震垫进行显式动力学分析，相对隐式动力学方法，显式动力学有着更快的求解速度，并且有更好的收敛性，但是它会丧失一定的精度。

网格单元选用平面应变单元cpe4r，这是一种具有沙漏功能的缩减积分单元，满足我们需要显式动力学分析的前提下，可以有效的平衡计算速度和精度的要求。单元划分见图5所示。

4)结论分析

通过计算，当电视到达地面时，它的速度v=0.024m/s，到达地面后，由于缓冲垫的缓冲作用，电视会做减速运动，直至动能全部转化为垫子内部的弹性势能。为了得到这个大概的距离，假设电视以v=0.024m/s的速度与地面相撞并保持此速度运动，用以求得垫子内部弹性势能和电视垂直位移(时间和速度的乘积)的关系，经过计算，得到结果如下图6所示：

从图6我们可以得到，在t=0.0035时，弹性势能等于重力势能，其中，重力势能w可如从公式(3)得到：

(3)

其中w为重力势能，m为货物的质量，g为重力加速度，h为跌落高度。为了确保安全性，将这个值适当取大，并在最终计算中将电视的撞击作为减速运动，令电视初始速度v=0.024m/s，匀减速运动0.007s之后减速为0。进行计算，得到弹性势能的增加曲线如下图7所示：由图可见，模型最终的弹性势能为58j，可以较好的估计跌落的情况，给出撞击最后的米塞斯应力图如图8所示。

如图8所示，可以看到最大应力为27mpa<225mpa，具有很好的安全性，同时考虑到电视跌落很可能出现一角先落地等应力更加集中的情况，依然可以较好的满足设计要求。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。