［摘要］ 包裝工業(yè)現(xiàn)代化提出了許多與力學(xué)各分支學(xué)科相關(guān)的問題。從緩沖包裝理論、產(chǎn)品脆值和破損邊界理論、包裝材料、包裝容器和緩沖包裝設(shè)計方法等方面，闡述了有關(guān)的力學(xué)問題和目前的研究工作進(jìn)展，初步構(gòu)劃出現(xiàn)代包裝力學(xué)的學(xué)科體系。

     關(guān)鍵詞：包裝力學(xué)；包裝動力學(xué)；緩沖包裝；產(chǎn)品脆值；破損邊界理論；包裝材料；包裝容器

1 包裝的發(fā)展歷史

    包裝是隨著人類的進(jìn)化、社會的變革、生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步逐漸發(fā)展的。史前時期，人類已學(xué)會用天然包裝材料，如植物的莖葉、葛藤、荊條、樹皮、獸皮等編織籃筐盛裝、儲存和運(yùn)輸食物。據(jù)考古發(fā)掘和史料記載，人類早在八千年以前就發(fā)明了織a和燒制陶瓷器，在西安市半坡村發(fā)掘出的中國新石器時代仰韶文化遺址上可看到，人類在六千多年前就會用各種杯形口尖底瓶、葫蘆形瓶、蒜頭形壺、圓底缽、淺腹圓底盆、折腹盆、弦紋夾砂罐和繩紋瓷等陶器，貯運(yùn)不同食物和生活用水。人類采用頭頂、肩杠和人抬等方式，小心翼翼地搬運(yùn)這些裝有食物的易碎容器。這種原始的搬運(yùn)方式速度慢，搬運(yùn)距離短，很容易損壞容器。經(jīng)過長期的勞動實(shí)踐，人類逐漸認(rèn)識到引起運(yùn)輸容器損壞的原因是環(huán)境的振動和沖擊作用。為有效保護(hù)物品，提高搬運(yùn)效率，公元前十一世紀(jì)商朝末年出現(xiàn)了扁擔(dān)，這是人類發(fā)明的最早的防震緩沖工具。

    近代包裝的歷史應(yīng)追溯到十八世紀(jì)的工業(yè)革命。資本主義商品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)了世界范圍的貿(mào)易發(fā)展，包裝受到了人們的重視，成為商品經(jīng)濟(jì)中
的一個重要環(huán)節(jié)。1930年出現(xiàn)的全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)，促使生產(chǎn)者在設(shè)計產(chǎn)品包裝時不僅考慮保護(hù)內(nèi)裝物的功能，還應(yīng)增加促進(jìn)銷售的廣告功能，于是誕生了現(xiàn)代包裝。經(jīng)濟(jì)和科技的全球化及其迅猛發(fā)展，有力地促進(jìn)了世界包裝工業(yè)的發(fā)展，包裝作為國民經(jīng)濟(jì)的服務(wù)產(chǎn)業(yè)，目前已形成一個以紙、塑料、金屬、玻璃、印刷、機(jī)械為主要構(gòu)成，擁有現(xiàn)代化技術(shù)和裝備，門類較齊全的現(xiàn)代工業(yè)體系。“九五”期間，我國包裝工業(yè)平均年增長12%，2000年包裝工業(yè)產(chǎn)值達(dá)2200億元。“十五”期間，我國包裝工業(yè)仍將以8%的速度遞增，預(yù)計2005年包裝工業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到3200億元。

2 現(xiàn)代包裝力學(xué)的研究進(jìn)展

2.1 緩沖包裝理論

     1945年，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室Mindlin建立了包裝動力學(xué)的經(jīng)典理論，論述了包裝產(chǎn)品在跌落沖擊過程中的運(yùn)動規(guī)律，主要討論單自由度包裝產(chǎn)品的動力響應(yīng)，也涉及無限自由度動力問題。由于按單自由處理包裝系統(tǒng)具有簡便性和工程實(shí)用性，單自由度緩沖包裝理論在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。但是實(shí)際的產(chǎn)品包裝種類繁多，運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜，很多情況下必須按多自由度分析處理，才能得到較為合理的設(shè)計結(jié)果。如洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品包裝，多層堆碼包裝箱中產(chǎn)品的振動特性，平板玻璃、瓦楞紙板、蜂窩紙板、發(fā)泡塑料等動特性分析，都必須按多自由度或連續(xù)體處理。為此，Schell考慮了多自由度包裝問題，認(rèn)為質(zhì)量比和剛度比將影響產(chǎn)品的響應(yīng)。Urbanik研究了堆碼瓦楞紙箱的振動傳遞率，奚德昌等討論了雙層商品包裝和具有彈性元件的產(chǎn)品的防震緩沖問題［，王志偉將洗衣機(jī)包裝處理成二自由度系統(tǒng)，研究了在典型脈沖激勵下箱體和桶體的沖擊譜，指出了合適的質(zhì)量比和剛度比的重要性。

    包裝動力學(xué)問題的線性化處理，方法簡單實(shí)用，便于闡明基本規(guī)律。但實(shí)際的緩沖包裝系統(tǒng)是非線性的，研究工作向非線性拓寬才具有實(shí)際的價值。王志偉等系統(tǒng)研究了典型非線性緩沖包裝系統(tǒng)的跌落沖擊和脈沖沖擊響應(yīng)，分析了系統(tǒng)參數(shù)對沖擊響應(yīng)的影響］。非線性和隨機(jī)性是緩沖包裝系統(tǒng)的兩個重要特征，但隨機(jī)環(huán)境作用下非線性緩沖包裝的分析設(shè)計工作至今還未完全展開。

2.2產(chǎn)品脆值和破損邊界理論

    脆值是指產(chǎn)品經(jīng)受沖擊后保持原有功能或不發(fā)生損傷時的許用最大沖擊加速度值。脆值反映了產(chǎn)品抗沖擊的能力，是產(chǎn)品沖擊強(qiáng)度的一種指標(biāo)，兼有功能保持能力的描述，理論分析、經(jīng)驗(yàn)估算和直接測量都難以準(zhǔn)確確定產(chǎn)品脆值。為此Komhauser,Pen-dered提出了破損靈敏度的概念。1968年Neo-ton教授提出了破損邊界理論，用產(chǎn)品所能經(jīng)受的典型加速度脈沖沖擊的幅值和速度變化量來間接描述產(chǎn)品的脆值，作出破損邊界曲線（橫坐標(biāo)為速度變化量，縱坐標(biāo)為加速度幅值）。當(dāng)所受加速度脈沖幅值或速度變化量小于其臨界值時，即加速度脈沖坐標(biāo)點(diǎn)位于破損邊界曲線內(nèi)側(cè)，產(chǎn)品是安全的，否則，產(chǎn)品不安全。這一理論打開了脆值沖擊試驗(yàn)的大門，奠定了現(xiàn)代緩沖包裝設(shè)計的基礎(chǔ)，在包裝力學(xué)的發(fā)展上具有重大意義。

     與此同時，Lansmint公司和MTS公司相繼開發(fā)出適合確定產(chǎn)品破損邊界的沖擊試驗(yàn)機(jī)。1977年美國國家標(biāo)準(zhǔn)中采用了Neoton的破損邊界理論。在測定產(chǎn)品破損邊界曲線時，Schell建議用加速度脈沖的平均值代替幅值較為合理，采用后峰鋸齒加速度脈沖沖擊比Neoton的矩形加速度脈沖更接近實(shí)際情況，Goff和Pierce也曾建議采用半正弦加速度脈沖來測定產(chǎn)品破損邊界曲
線。

    破損邊界曲線可由產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)測取，也可由產(chǎn)品沖擊譜推演而得。湯伯森和王萍等分別推導(dǎo)了后峰鋸齒脈沖和有限上升階躍脈沖激勵下的破損邊界曲線。

    破損邊界除與產(chǎn)品脆值有關(guān)外，還與包裝用緩沖材料的特性有關(guān)。上述破損邊界的描述是針對線性緩沖材料情形的。但實(shí)際用于包裝的緩沖材料均具有非線性特征，且大都是強(qiáng)非線特征。為此，王志偉、王振林等開展了非線性緩沖包裝系統(tǒng)產(chǎn)品破損邊界理論的研究。王振林等討論了三次非線性緩沖包裝的產(chǎn)品破損邊界曲線。王志偉等采用統(tǒng)一的方法系統(tǒng)研究了線性和非線性系統(tǒng)（包括正切型、雙曲正切型和三次型）在各種典型加速度脈沖（矩
形、半正弦、前峰鋸齒和后峰鋸齒）激勵下的沖擊譜和破損邊界曲線，討論了它們的重要特征，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。1998年，王振林等提出位移損壞邊界的概念，指出了Neoton破損邊界的適應(yīng)條件

    破損邊界曲線對于緩沖包裝系統(tǒng)的設(shè)計具有重要價值。這一概念是在不同加速度脈沖激勵下評價產(chǎn)品脆值時發(fā)展起來的，但大多數(shù)包裝產(chǎn)品在運(yùn)輸中的功能失效或損傷是由于跌落沖擊造成的。在這種情況下，要測取作用在產(chǎn)品或包裝件上的沖擊加速度脈沖是十分困難的。為評價非線性包裝系統(tǒng)的產(chǎn)品跌落損傷或功能失效，王志偉最近選取包裝系統(tǒng)參數(shù)和無量綱跌落沖擊速度作為兩個基本的評價量，提出了跌落破損邊界曲線的概念。

     振動和隨機(jī)激勵是包裝產(chǎn)品在運(yùn)輸中經(jīng)常遇到的，產(chǎn)品承受振動、隨機(jī)激勵的能力與承受沖擊激勵的能力是不同的。1970年Rountree和Safford研究了隨機(jī)振動下導(dǎo)彈儀器的脆值問題，宋寶峰于1992年給出了隨機(jī)激勵下產(chǎn)品脆值的定義。關(guān)于產(chǎn)品承受振動和隨機(jī)激勵能力的表征還有待于進(jìn)一步的探索。