基本介紹
- 中文名：緩衝墊
- 外文名：blotter
- 別稱：貨台防撞膠
- 材質：橡膠或天然橡膠
- 作用：保護貨台及卡車不受損壞
靜態緩衝,對剛度的影響,同一應變水平,同一應力水平,緩衝係數,緩衝墊的比較,緩衝墊最佳化,原始設計,拓撲模型建立,最佳化對比,結構對比,
靜態緩衝
研究異型緩衝墊的靜態緩衝性能，明確其與普通緩衝墊的性能差異。以發泡聚苯乙烯(EPE)為試驗材料，將其切割成正稜台異型緩衝墊；利用萬能壓力試驗機分別對等效面積相同但側面傾角不同的試樣進行靜態壓縮試驗；繪製應力-應變曲線、能量吸收曲線和緩衝係數曲線；將上述曲線與正六面體普通緩衝墊數據進行對比。 異型緩衝墊較普通緩衝墊剛度小，且側面傾角越小剛度越小。在相同應力水平下，異型緩衝墊與普通緩衝墊的能量吸收基本相同；在相同應變水平下，異型緩衝墊的能量吸收小於普通緩衝墊。載荷不大時，異型緩衝墊的緩衝係數小於普通緩衝墊，隨著應力水平的增加，兩者間的差距呈減小趨勢。 異型緩衝墊的靜態緩衝性能與普通緩衝墊有明顯區別，在緩衝包裝設計時應根據實際情況進行充分考量，以免造成過度包裝或欠包裝。
對剛度的影響
基於上述數據分析，不同規格EPE材料的σ-ε。異型緩衝墊不論側面傾角θ大小如何(θ=70°，60°，50°)，其σ-ε曲線均在普通緩衝墊(θ=90°)之下，說明異型緩衝墊的剛度較普通緩衝墊要小。
當側面傾角θ由90°向70°變化時（即稜台斜面變得越來越大），隨著θ的減少，異型緩衝墊的剛度越來越小，即材料越軟。當側面傾角θ≤70°(50°，60°，70°)時，其σ-ε 曲線基本重合，說明當θ減小到一定程度（閾值為 70°）時，異型緩衝墊的剛度幾乎不再隨θ而減小，因此可以用70°的應力-應變曲線描述側面傾角小於70°的異形緩衝墊。可見，較之普通緩衝墊，異型緩衝墊的剛度變小，材料變軟；但當側面傾角θ<70°時，其剛度不再有顯著變化。θ=70°可以作為EPE正稜台異型緩衝墊的重要參考數據。
同一應變水平
同一應變水平下不同規格EPE試樣的e-ε 曲線在同一應變水平下，異型緩衝墊的能量吸收小於普通緩衝墊，這一點與同一應力水平下的能量吸收特性相反；當側面傾角θ在90°向70°變化時，隨著θ的減小，異型緩衝墊的能量吸收能力逐漸降低；當傾角減小到70°以下（50°，60°，70°曲線）時，曲線基本保持重合，能量吸收保持相同。由此可知，當襯墊變形量相同時，異型緩衝墊吸收的能量減少，緩衝能力下降。基於普通緩衝墊設計的緩衝包裝在衝擊強度相同時很可能會由於變形量過大而產生損壞，從而影響包裝件的安全。
同一應力水平
同一應力水平下不同規格EPE試樣的e-ε曲線應變能e又被稱為單位體積變形能，它表征了單位體積的緩衝材料可吸收衝擊能力的大小。通過應變能分析可以判斷出材料的能量吸收特性。由e-ε曲線可知，異型緩衝墊吸收衝擊能量的性能較普通緩衝墊有提高，但差異不大。由上述剛性分析可知，這種結果應該是異型緩衝墊剛性降低，材料變軟所致；在同一應力水平下，不同側面傾角θ的異型緩衝墊的能量吸收能力基本相同，從能量吸收與衝擊應力角度來看，異形緩衝墊側面傾角θ的影響並不顯著。
緩衝係數
不同規格EPE的緩衝係數-應力(C-σ)曲線為了使比較結果更清晰，縱坐標使用了對數坐標。可知，在同樣的應力水平下，普通緩衝墊的緩衝係數最大，緩衝性能最差，而異型緩衝墊隨著側面傾角θ的減小，緩衝係數逐漸減小，緩衝性能逐漸增強；緩衝係數並不嚴格遵循θ越小C 越小的規律，而是當70°時C最小，可見，對於正稜台異型緩衝墊，可以將θ=70°作為最佳參考值；從曲線的後半段看，在重載時各曲線更接近，材料的緩衝能力表現出相同的趨勢。
緩衝墊的比較
1）當側面傾角θ在70°～90°時，異型緩衝墊隨著θ的減小，剛度、緩衝係數均減小；當θ<70°時，其力學性能基本與70°時相同。從剛度和緩衝係數的角度考慮，異型緩衝墊的緩衝能力優於普通緩衝墊，利用普通緩衝墊的設計原則設計出的異型緩衝襯處於設計安全側，但可能會產生過度包裝的問題。
2）在同等衝擊強度（衝擊能量相同）條件下，異型緩衝墊的衝擊應力與普通緩衝墊的衝擊應力基本相同。從這一角度考慮，兩者的緩衝性能相同。此外，在該條件下，異型緩衝墊的應變大於普通緩衝墊，即異型緩衝墊的變形量大於普通緩衝墊。若仍按普通緩衝墊的設計原則設計異型緩衝墊，則可能由於緩衝墊變形量過大而導致產品位移過大，造成內裝物損壞，從而可能產生欠包裝的問題。
3）通過緩衝係數曲線可以看出，當θ=70°時C最小。可見，對於異型緩衝墊，可以將θ=70°作為側面傾角的最佳參考值。
4）從材料的變形機理分析，造成異型緩衝墊緩衝性能差異的主要原因是由於其較之普通緩衝墊具有更大的邊界、開孔胞元更多、襯墊總體硬度更軟所致。
緩衝墊最佳化
對一款自主設計的EPS緩衝墊進行結構最佳化研究。 首先使用HyperWorks和LS-DYNA做跌落分析，然後結合模擬等相關數據用OptiStruct模組進行拓撲最佳化，最後對比最佳化前後結果。緩衝墊結構最佳化後平板電視受到的最大衝擊加速值小於45g，滿足了緩衝保護要求。緩衝墊結構得到了最佳化，拓撲最佳化為此類問題提供了非常有益的探索和借鑑。
原始設計
某款平板電視的產品脆值為45g。選擇EPS作為緩衝墊材料，緩衝墊1，2對稱分布，3，4 對稱分布。設計後緩衝墊 1，2 的結構相同，3，4 的結構相同。
拓撲模型建立
緩衝墊1的最佳化模型做相似處理。為實現最佳化目的，在HyperMesh中設定最佳化要素：設計變數和單元密度。在這個最佳化問題中有2個回響，一個是定義目標的體積回響，另一個是位移回響目標函式。目標是最小化已定義體積全局回響設計約束，不同面最佳化時，對已定義的位移回響施加一個位移上限約束。
最佳化對比
結構最佳化後再次進行跌落分析，對比最佳化前、後平板電視的最大衝擊加速度和最大衝擊力，發現最佳化後的緩衝墊滿足緩衝保護設計的要求。
最佳化後面衝擊加速度接近40g，小於平板電視能夠承受的加速度45g。考慮到外包裝瓦楞格紙箱的保護，足以滿足平板電視緩衝保護需要，角跌落和棱跌落衝擊加速度比初始值略微減小。總體而言，達到了結構最佳化和節省材料的目的。
結構對比
典型緩衝包裝結構主要有：通用包裝技術，分為全封裝結構和腳墊結構；面積調整技術，增加或減小特定方向的受力面積；不規則形狀產品包裝技術，有模製襯墊結構和產品固定在內部容器內結構；其他一些特殊形式的結構。平板電視的緩衝結構根據使用材料主要分為2種：單一材料結構和組合材料結構。單一材料結構主要有 EPS，EPE，EPP等3類，其中EPS，EPP結構類似，主要採用外筋式結構和U，Z型彈性結構來提高緩衝性能。EPE結構常先將其先做成平板形狀，利用沖裁或手工加工成形狀不一的組件，然後把各組件熱合或粘合成完整的緩衝墊，但其結構壓縮強度低，有時需要加強輔助結構，如在紙箱外部增加木框架，採用雙層紙箱，內部四角、棱等位置使用紙角鋼支撐柱等。組合材料結構是根據泡沫類材料和紙質材料各自特點按照一定規則搭配使用。常見的有EPS與蜂窩紙板組合結構和EPE與紙角鋼組合結構，前者的結構特點是在已有的EPS結構外側放置緩衝蜂窩紙板，後者是把各EPE緩衝墊單元粘連在紙角鋼上面，形成EPE和紙質材料的組合件。對比發現，最佳化後的面 1、面3結構為筋條式結構；面2、面4、面5、面6的可設計區域材料的最最佳化布局也呈現筋條變化趨勢。
