［摘要］ 包裝工業現代化提出了許多與力學各分支學科相關的問題。從緩沖包裝理論、產品脆值和破損邊界理論、包裝材料、包裝容器和緩沖包裝設計方法等方面，闡述了有關的力學問題和目前的研究工作進展，初步構劃出現代包裝力學的學科體系。
     關鍵詞：包裝力學；包裝動力學；緩沖包裝；產品脆值；破損邊界理論；包裝材料；包裝容器

1 包裝的發展歷史
    包裝是隨著人類的進化、社會的變革、生產的發展和科學技術的進步逐漸發展的。史前時期，人類已學會用天然包裝材料，如植物的莖葉、葛藤、荊條、樹皮、獸皮等編織籃筐盛裝、儲存和運輸食物。據考古發掘和史料記載，人類早在八千年以前就發明了織布和燒制陶瓷器，在西安市半坡村發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，小心翼翼地搬運這些裝有食物的易碎容器。這種原始的搬運方式速度慢，搬運距離短，很容易損壞容器。經過長期的勞動實踐，人類逐漸認識到引起運輸容器損壞的原因是環境的振動和沖擊作用。為有效保護物品，提高搬運效率，公元前十一世紀商朝末年出現了扁擔，這是人類發明的最早的防震緩沖工具。
    近代包裝的歷史應追溯到十八世紀的工業革命。資本主義商品經濟的發展，促進了世界范圍的貿易發展，包裝受到了人們的重視，成為商品經濟中
的一個重要環節。1930年出現的全球經濟危機，促使生產者在設計產品包裝時不僅考慮保護內裝物的功能，還應增加促進銷售的廣告功能，于是誕生了現代包裝。經濟和科技的全球化及其迅猛發展，有力地促進了世界包裝工業的發展，包裝作為國民經濟的服務產業，目前已形成一個以紙、塑料、金屬、玻璃、印刷、機械為主要構成，擁有現代化技術和裝備，門類較齊全的現代工業體系。“九五”期間，我國包裝工業平均年增長12%，2000年包裝工業產值達2200億元。“十五”期間，我國包裝工業仍將以8%的速度遞增，預計2005年包裝工業產值將達到3200億元。
2 現代包裝力學的研究進展
2.1 緩沖包裝理論
     1945年，美國貝爾電話實驗室Mindlin建立了包裝動力學的經典理論，論述了包裝產品在跌落沖擊過程中的運動規律，主要討論單自由度包裝產品的動力響應，也涉及無限自由度動力問題。由于按單自由處理包裝系統具有簡便性和工程實用性，單自由度緩沖包裝理論在實踐中得到廣泛應用。但是實際的產品包裝種類繁多，運輸環境復雜，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計結果。如洗衣機等家電產品包裝，多層堆碼包裝箱中產品的振動特性，平板玻璃、瓦楞紙板、蜂窩紙板、發泡塑料等動特性分析，都必須按多自由度或連續體處理。為此，Schell考慮了多自由度包裝問題，認為質量比和剛度比將影響產品的響應。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品的防震緩沖問題［，王志偉將洗衣機包裝處理成二自由度系統，研究了在典型脈沖激勵下箱體和桶體的沖擊譜，指出了合適的質量比和剛度比的重要性。
    包裝動力學問題的線性化處理，方法簡單實用，便于闡明基本規律。但實際的緩沖包裝系統是非線性的，研究工作向非線性拓寬才具有實際的價值。王志偉等系統研究了典型非線性緩沖包裝系統的跌落沖擊和脈沖沖擊響應，分析了系統參數對沖擊響應的影響］。非線性和隨機性是緩沖包裝系統的兩個重要特征，但隨機環境作用下非線性緩沖包裝的分析設計工作至今還未完全展開。
2.2產品脆值和破損邊界理論
    脆值是指產品經受沖擊后保持原有功能或不發生損傷時的許用最大沖擊加速度值。脆值反映了產品抗沖擊的能力，是產品沖擊強度的一種指標，兼有功能保持能力的描述，理論分析、經驗估算和直接測量都難以準確確定產品脆值。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，用產品所能經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品的脆值，作出破損邊界曲線（橫坐標為速度變化量，縱坐標為加速度幅值）。當所受加速度脈沖幅值或速度變化量小于其臨界值時，即加速度脈沖坐標點位于破損邊界曲線內側，產品是安全的，否則，產品不安全。這一理論打開了脆值沖擊試驗的大門，奠定了現代緩沖包裝設計的基礎，在包裝力學的發展上具有重大意義。

     與此同時，Lansmint公司和MTS公司相繼開發出適合確定產品破損邊界的沖擊試驗機。1977年美國國家標準中采用了Neoton的破損邊界理論。在測定產品破損邊界曲線時，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際情況，Goff和Pierce也曾建議采用半正弦加速度脈沖來測定產品破損邊界曲
線。

    破損邊界曲線可由產品沖擊試驗測取，也可由產品沖擊譜推演而得。湯伯森和王萍等分別推導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。
    破損邊界除與產品脆值有關外，還與包裝用緩沖材料的特性有關。上述破損邊界的描述是針對線性緩沖材料情形的。但實際用于包裝的緩沖材料均具有非線性特征，且大都是強非線特征。為此，王志偉、王振林等開展了非線性緩沖包裝系統產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品破損邊界曲線。王志偉等采用統一的方法系統研究了線性和非線性系統（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，并開發了相應的軟件系統。1998年，王振林等提出位移損壞邊界的概念，指出了Neoton破損邊界的適應條件
    破損邊界曲線對于緩沖包裝系統的設計具有重要價值。這一概念是在不同加速度脈沖激勵下評價產品脆值時發展起來的，但大多數包裝產品在運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的產品跌落損傷或功能失效，王志偉最近選取包裝系統參數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。

     振動和隨機激勵是包裝產品在運輸中經常遇到的，產品承受振動、隨機激勵的能力與承受沖擊激勵的能力是不同的。1970年Rountree和Safford研究了隨機振動下導彈儀器的脆值問題，宋寶峰于1992年給出了隨機激勵下產品脆值的定義。關于產品承受振動和隨機激勵能力的表征還有待于進一步的探索。
(待續)