1整体包装解决方案（CPS）
国内整体包装解决方案做得较好的是耐帆包装工程有限公司，它为客户提供从包装咨询到生产运输等一整套完整的包装服务[3]。我国整体包装还处于起步发展阶段，有些企业虽然提出了整体包装解决方案，但在实施上只是概念性的，没有落在行动上。在CPS实施过程中，要遵循包装总体设计原则、经济最优原则、安全性原则和绿色化原则[4]。CPS法的构成要素[5]见图1。
2灯具包装现状
目前，台灯按功能可以分两大类：装饰性台灯、实用型台灯。装饰性台灯注重外观的漂亮、造型的创新，实用型台灯注重照明的效果和使用的方便性。台灯的材质有五金、树脂、玻璃、水晶、实木、陶瓷等，材质不同对包装的要求也不同。现在市场上台灯的包装没有规则，以纸板、泡沫等各种缓冲材料作为填充物，缓冲效果不尽人意，对于易碎材质的灯具，该包装方式很容易造成灯具损坏。
3灯具的包装结构设计
在CPS理念的指导下，笔者为一款台灯设计包装。文中实例的台灯结构主要包括基座、灯架、灯罩、电源线及插头等部件，利用Pro/E软件进行绘图，台灯模型见图2—3。台灯灯罩的材质为ABS树脂，支架的材质为铝合金，其总体尺寸为29cm×29cm×57.8cm，质量为4.2kg。台灯的运输方式为公路运输，在国内运输及销售。在运输过程中，由于冲击和振动作用，会对产品造成损坏，所以在为台灯进行包装设计时不仅要考虑到灯罩及底座的安全性，还要考虑支架的稳固性，避免其变形或移位。缓冲材料选用缓冲性能良好的EPE及B楞瓦楞纸板[6]。固定支撑结构通过EPE与瓦楞纸板复合的凹槽结构和EPE块来实现，底部和顶部的缓冲采用EPE，见图4。支撑部分和上下缓冲部分配合完成台灯的缓冲包装，内包装箱（见图5）采用B楞瓦楞纸箱（内尺寸为315cm×315cm×680cm）[7]。对于缓冲包装和外包装设计都满足拆卸方便和循环使用的原则。
4有限元分析
有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。Ansys是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件[8]。由于台灯是对称结构，所以取1/4来进行分析。对本次包装设计进行有限元分析，不仅能够节约实验时间和费用，而且能够得出清晰的参数。
4.1静力学分析静力学分析可以求解外载荷引起的位移、应力和力。台灯包装件在运输过程和仓储时会进行堆码，外载荷会对下层的包装件施加压力。对包装件进行静力学的仿真分析，可以通过数值和云图清晰地分析包装件在力作用下的情况。有限元模型的单元类型采用Solid45，材料模型参数见表1。台灯的剖面及底面加载位移约束。由于顶部衬垫的缓冲作用，堆码3层后，底部台灯承受的均布压力为816Pa。模拟的网格划分及分析结果见图6—7，可知最大变形位于台灯的顶部边缘（A点），其变形很小，最大应力为4592Pa，小于材料的屈服强度（40MPa）。
4.2动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。文中对台灯包装件进行模态分析，模态是包装件的固有振动特性，每个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。根据模态分析的数据，可以通过优化结构等来避免运输过程中的共振[10]。台灯的模态析结果见表2。通过对台灯进行前四阶的模态分析，可以看出整体的固有频率。在选择隔振材料时，隔振材料的固有频率往往要小于产品固有频率的一半[11]。EPE振动测试结果数据见表3[12]，可以得到50mm厚的EPE的振动传递率曲线（见图8），共振频率为52Hz。由图9可知，运输工具卡车的固有频率为6Hz。经模态分析可以看出，包装符合要求。汽车运输随机振动功率谱密度在2Hz和10Hz处各有一个较大峰值[13]，台灯的固有频率不在共振区，是安全的。
5装箱优化
TOPSPro是一种包装与运输专业的功能强大的创造性设计软件[14]，它可以优化包装箱尺寸和排列方式，使托盘、卡车、集装箱等运输工具的空间得到充分利用，总费用最小[11]。流程[15]见图10。通过装箱优化，可以得到最优的装箱运输方案，见图11。经过TOPSPro优化后，卡车的面积使用率达到了95.7%，体积使用率达到88.6%。
6结语
整体包装解决方案是现代商品包装设计的发展趋势，不仅要深刻理解其内涵，还要把它应用于生产中。文中基于CPS理念，以台灯为例，设计出了一种EPE与瓦楞纸板相互组合的包装，改进了市场上灯具包装的方式，节约了材料，同时也便于拆卸。经仿真分析，可以看出静压下的最大应力小于材料的屈服强度，产质量管理论文品的固有频率与包装材料、卡车的固有频率不在共振范围，包装是合理的。经过装箱优化，节约了运输空间，降低了运输成本。
作者：陈满儒 张惠艳 单位：陕西科技大学
