缓冲垫（工业物流装卸货平台的防撞胶）

静态缓冲

研究异型缓冲垫的静态缓冲性能，明确其与普通缓冲垫的性能差异。以发泡聚苯乙烯(EPE)为试验材料，将其切割成正棱台异型缓冲垫；利用万能压力试验机分别对等效面积相同但侧面倾角不同的试样进行静态压缩试验；绘制应力-应变曲线、能量吸收曲线和缓冲系数曲线；将上述曲线与正六面体普通缓冲垫数据进行对比。异型缓冲垫较普通缓冲垫刚度小，且侧面倾角越小刚度越小。在相同应力水平下，异型缓冲垫与普通缓冲垫的能量吸收基本相同；在相同应变水平下，异型缓冲垫的能量吸收小于普通缓冲垫。载荷不大时，异型缓冲垫的缓冲系数小于普通缓冲垫，随着应力水平的增加，两者间的差距呈减小趋势。异型缓冲垫的静态缓冲性能与普通缓冲垫有明显区别，在缓冲包装设计时应根据实际情况进行充分考量，以免造成过度包装或欠包装。

基于上述数据分析，不同规格EPE材料的 σ-ε。异型缓冲垫不论侧面倾角 θ大小如何( θ=70°，60°，50°)，其 σ-ε曲线均在普通缓冲垫( θ=90°)之下，说明异型缓冲垫的刚度较普通缓冲垫要小。

当侧面倾角 θ由90°向70°变化时（即棱台斜面变得越来越大），随着 θ的减少，异型缓冲垫的刚度越来越小，即材料越软。当侧面倾角 θ≤70°(50°，60°，70°)时，其 σ-ε 曲线基本重合，说明当 θ减小到一定程度（阈值为 70°）时，异型缓冲垫的刚度几乎不再随 θ而减小，因此可以用70°的应力-应变曲线描述侧面倾角小于70°的异形缓冲垫。可见，较之普通缓冲垫，异型缓冲垫的刚度变小，材料变软；但当侧面倾角 θ<70°时，其刚度不再有显著变化。 θ=70°可以作为EPE正棱台异型缓冲垫的重要参考数据。

同一应变水平下不同规格EPE试样的 e-ε 曲线在同一应变水平下，异型缓冲垫的能量吸收小于普通缓冲垫，这一点与同一应力水平下的能量吸收特性相反；当侧面倾角 θ在90°向70°变化时，随着 θ的减小，异型缓冲垫的能量吸收能力逐渐降低；当倾角减小到70°以下（50°，60°，70°曲线）时，曲线基本保持重合，能量吸收保持相同。由此可知，当衬垫变形量相同时，异型缓冲垫吸收的能量减少，缓冲能力下降。基于普通缓冲垫设计的缓冲包装在冲击强度相同时很可能会由于变形量过大而产生损坏，从而影响包装件的安全。

同一应力水平下不同规格EPE试样的 e-ε曲线应变能 e又被称为单位体积变形能，它表征了单位体积的缓冲材料可吸收冲击能力的大小。通过应变能分析可以判断出材料的能量吸收特性。由 e-ε曲线可知，异型缓冲垫吸收冲击能量的性能较普通缓冲垫有提高，但差异不大。由上述刚性分析可知，这种结果应该是异型缓冲垫刚性降低，材料变软所致；在同一应力水平下，不同侧面倾角 θ的异型缓冲垫的能量吸收能力基本相同，从能量吸收与冲击应力角度来看，异形缓冲垫侧面倾角 θ的影响并不显著。

不同规格EPE的缓冲系数-应力( C- σ)曲线为了使比较结果更清晰，纵坐标使用了对数坐标。可知，在同样的应力水平下，普通缓冲垫的缓冲系数最大，缓冲性能最差，而异型缓冲垫随着侧面倾角 θ的减小，缓冲系数逐渐减小，缓冲性能逐渐增强；缓冲系数并不严格遵循 θ越小 C 越小的规律，而是当70°时 C最小，可见，对于正棱台异型缓冲垫，可以将 θ=70°作为最佳参考值；从曲线的后半段看，在重载时各曲线更接近，材料的缓冲能力表现出相同的趋势。

1）当侧面倾角 θ在70°～90°时，异型缓冲垫随着 θ的减小，刚度、缓冲系数均减小；当 θ<70°时，其力学性能基本与70°时相同。从刚度和缓冲系数的角度考虑，异型缓冲垫的缓冲能力优于普通缓冲垫，利用普通缓冲垫的设计原则设计出的异型缓冲衬处于设计安全侧，但可能会产生过度包装的问题。

2）在同等冲击强度（冲击能量相同）条件下，异型缓冲垫的冲击应力与普通缓冲垫的冲击应力基本相同。从这一角度考虑，两者的缓冲性能相同。此外，在该条件下，异型缓冲垫的应变大于普通缓冲垫，即异型缓冲垫的变形量大于普通缓冲垫。若仍按普通缓冲垫的设计原则设计异型缓冲垫，则可能由于缓冲垫变形量过大而导致产品位移过大，造成内装物损坏，从而可能产生欠包装的问题。

3）通过缓冲系数曲线可以看出，当 θ=70°时 C最小。可见，对于异型缓冲垫，可以将 θ=70°作为侧面倾角的最佳参考值。

4）从材料的变形机理分析，造成异型缓冲垫缓冲性能差异的主要原因是由于其较之普通缓冲垫具有更大的边界、开孔胞元更多、衬垫总体硬度更软所致。

缓冲垫优化

对一款自主设计的EPS缓冲垫进行结构优化研究。首先使用HyperWorks和LS-DYNA做跌落分析，然后结合模拟等相关数据用OptiStruct模块进行拓扑优化，最后对比优化前后结果。缓冲垫结构优化后平板电视受到的最大冲击加速值小于45g，满足了缓冲保护要求。缓冲垫结构得到了优化，拓扑优化为此类问题提供了非常有益的探索和借鉴。

某款平板电视的产品脆值为45g。选择EPS作为缓冲垫材料，缓冲垫1，2对称分布，3，4 对称分布。设计后缓冲垫 1，2 的结构相同，3，4 的结构相同。

缓冲垫1的优化模型做相似处理。为实现优化目的，在HyperMesh中设置优化要素：设计变量和单元密度。在这个优化问题中有2个响应，一个是定义目标的体积响应，另一个是位移响应目标函数。目标是最小化已定义体积全局响应设计约束，不同面优化时，对已定义的位移响应施加一个位移上限约束。

结构优化后再次进行跌落分析，对比优化前、后平板电视的最大冲击加速度和最大冲击力，发现优化后的缓冲垫满足缓冲保护设计的要求。

优化后面冲击加速度接近40g，小于平板电视能够承受的加速度45g。考虑到外包装瓦楞格纸箱的保护，足以满足平板电视缓冲保护需要，角跌落和棱跌落冲击加速度比初始值略微减小。总体而言，达到了结构优化和节省材料的目的。

典型缓冲包装结构主要有：通用包装技术，分为全封装结构和脚垫结构；面积调整技术，增加或减小特定方向的受力面积；不规则形状产品包装技术，有模制衬垫结构和产品固定在内部容器内结构；其他一些特殊形式的结构。平板电视的缓冲结构根据使用材料主要分为2种：单一材料结构和组合材料结构。单一材料结构主要有 EPS，EPE，EPP等3类，其中EPS，EPP结构类似，主要采用外筋式结构和U，Z型弹性结构来提高缓冲性能。EPE结构常先将其先做成平板形状，利用冲裁或手工加工成形状不一的组件，然后把各组件热合或粘合成完整的缓冲垫，但其结构压缩强度低，有时需要加强辅助结构，如在纸箱外部增加木框架，采用双层纸箱，内部四角、棱等位置使用纸角钢支撑柱等。组合材料结构是根据泡沫类材料和纸质材料各自特点按照一定规则搭配使用。常见的有EPS与蜂窝纸板组合结构和EPE与纸角钢组合结构，前者的结构特点是在已有的EPS结构外侧放置缓冲蜂窝纸板，后者是把各EPE缓冲垫单元粘连在纸角钢上面，形成EPE和纸质材料的组合件。对比发现，优化后的面 1、面3结构为筋条式结构；面2、面4、面5、面6的可设计区域材料的最优化布局也呈现筋条变化趋势。