陶瓷工艺品包装的力学建模和设计方法研究

　　陶瓷工艺品通常分为“陶瓷花瓶”、“陶瓷人物”、“陶瓷动物”、“美术陶瓷’等。它们常常以神秘的东方文化为题材，以古朴、清新、自然为风格主导情趣，集使用性、观赏性和收藏性于一体，使每一位观赏者都能从中体味到火与泥塑造出来的一种耐人寻味、发人深思的生活感悟。陶瓷工艺品，特别是大中型艺术花瓶，由于它烧制难度大、成品率低，再加上艺术设计和艺术装饰，而显得更为珍贵。

　　由于陶瓷艺术品脆性大，在运输搬迁的过程中极易损坏，所以包装就成了陶瓷工艺品生产运输中一个非常重要的环节。由于大中型陶瓷艺术品体积较大且生产批量都不大，出于降低成本考虑，一般的中大型陶瓷工艺制品往往采用传统的简易方法（如用稻草、竹篓等)包装而没有采用高挡的泡沫定模工艺来进行包装。这种简易包装易在运输过程中破损，给企业造成较大的经济损失，甚至有可能产生不必要的纠纷。而有些高档的艺术瓷则采用木箱加纸屑的形式包装，又给产品增添了较大的运输成本，增加了经济负担。特别是在注重生态环境保护，倡导节约型社会的今天，使用木箱包装显得格外浪费，有悖于时代的要求。因此，如何提高中大型陶瓷艺术品的包装效果，同时又节约木材、控制成本对一个生产陶瓷的企业来说，是一个新的研究课题。随着包装新材料和新工艺的不断出现，有必要对原先的包装进行技术和工艺的重新改进设计。

　　1 包装动力学模型

　　陶瓷工艺品的受损，一般不是由于堆积保管时产生的静压力，而是由于运输过程中受到的振动以及在装卸过程中受到的冲击。

　　根据破损边界理论，货物的破损实际上受2个边界条件的约束，一是允许的最大加速度，二是冲击脉冲持续时间。当陶瓷工艺品出产后，其允许的最大加速度值G就自然确定了。当外力产生的加速度大于产品本身允许的最大加速度时，陶瓷将被破坏而受损。所以货物跌落至地面是否安全，要分析货物与地而冲击时产生的最大加速度和冲击持续时间。物体从某一高度跌落或者受到某个方向的挤压时，整个过程包含一系列的能量转换。如物体从一定高度下落，重力势能转换为动能;当物体与地而发生冲击时，动能又转换为缓冲包装材料的弹性势能。此时，包装材料起到了减振缓冲的作用，就象弹簧一样，将动能转换为弹性势能，吸收大部分能量，这样就可以起到保护货物的作用。

　　包装材料可以是无定形的填充材料(如纸屑、木屑、纬丝等)，也可以是定形包装产品(如垫角、衬垫等)。无论采用哪种形式、哪种材料，它们均可以简化成图1所示的等效动力学模型。

图l陶瓷工艺品包装的等效动力学模型

　　要有效保护好陶瓷工艺品，就必须控制其在运输和装卸过程中所受到的加速度。除了要求装卸工文明装卸外，我们能做的也就是设计良好的缓冲包装。根据以上动力学模型，就是要在设计时，充分考虑和利用图1所示各个方向的等效弹性因数k,等效阻尼因数c以及接触边界的状况等。

　　2陶瓷工艺品包装设计

　　2 1设计思想

　　包装的功能主要有2个:一是保护功能，也是包装最基本的功能;二是美化功能。对于陶瓷工艺品来说，包装设计的侧重点有别于一般的日常生活用品。其包装的功能主要是起保护作用，使其在储运和销售环节中不受各种外力而损坏，保障工艺品的安全。一件工艺品，要经多次流通，才能走进商场或其它场所，最终到达消费者的手中。这期间，需要经过装卸、运输、库存、陈列、销售等多个环节。流通环节的振动、冲击，是威胁陶瓷工艺品安全的最大隐患和根源所在。因产品在运输流通中，不仅会有运输过程中路面产生的振动，而且会受到装卸过程中的冲击。在一定条件下，振动造成的破坏程度会更加突出。原因主要是包装材料本身抗震荡能力不太好，没有弹性起不到减振作用。由于运输途中颠簸的振动和许多野蛮装卸的冲击，是客观上无法控制和难以避免的，因此，只有依靠良好的包装缓冲设计来保护产品，使之在流通环节尽可能地减少损失，达到控制成本、增加企业效益的目的。针对陶瓷工艺品的包装设计，主要从改进包装的结构与材料着手，使缓冲减振条件得到很好地改善，以保证陶瓷在流通过程中的安全，满足企业的要求。

　　2 2包装材料选用

　　由于陶瓷工艺品的脆性较大，像大中型艺术花瓶，若用传统的包装手段，用木架加纸屑或者木架加稻草等方法进行包装，虽有一定的缓冲作用，但效果并不理想。

　　缓冲包装材料的种类很多，有天然的、人上合成的、定形的和不定形的等。

　　不定形的包装材料，由于缓冲性能不稳定，回弹性能较差，已逐渐被淘汰。随着工业的发展、技术工艺水平的不断提高以及各种新型合成材料的采用，定形缓冲材料已经占现代包装中的绝大多数。

　　而在定形包装材料中又有成型纸浆、瓦楞纸板、纸棉材料、棕垫、弹簧以及泡沫、气垫薄膜等各种人工合成材料。

　　在选用材料时，综合考虑了振动冲击能量的吸收性、回弹性、压缩蠕变性、耐破损性、稳定性以及经济性等各种材料性能参数。当然，要选择一种缓冲材料具备以上所有良好性能是难以办到的，也是不科学的。只能根据陶瓷工艺品的主要特性，有侧重地考虑缓冲材料的性能参数。

　　泡沫塑料是以合成树脂为原料，经发泡工艺制成的内含无数微小气孔的轻质塑料。由于它内部存在无数的气孔，可以大量吸收振动冲击产生的能量。泡沫材料还具有良好的回弹性。另外，它还具有清洁、美观和价格便宜等特点。

　　鉴于泡沫的以上特点，本设计方案采用泡沫塑料作为主要缓冲材料。

　　2 3包装结构设计

　　当缓冲材料选定后，结构设计也是包装设计中节约材料并实现理想减振的重要内容。以某款仿古瓷瓶包装为例，仿古瓷高为68cm,最大直径为40cm。考虑到它的形状为圆形对称结构且有瓶颈存在，将缓冲用的定形泡沫塑料设计成‘哈呋”结构(即制成两块对称的，且内径比器型外径大1 cm的泡沫塑料)，见图2。 

图2整体CI型的‘哈呋’结构及其动力模型图

　　在图2中，花瓶的底部连同侧面，形成一体式的‘哈呋’结构;顶部缓冲块根据瓶口尺寸，特制成下凸形结构;整个包装结构可以被称为CI型的‘哈呋’结构。

　　定型缓冲块的最薄处厚度应有3cm以上。两块对称的泡沫塑料将瓷器套在中间（最好瓷器外部再包层软的厚纸)，两块泡沫板与瓷器之间的四周填上柔软的海绵层，使瓷器花瓶尽可能大面积且均匀受力，而使其具有最大的静压承受能力，同时还进一步改善了缓冲效果。

　　瓶口上方则用与其口径、形状相配的下凸形泡沫盖实。上下泡沫块之间同样加一薄层软质海绵。几块泡沫板形成的整体四周再用宽的胶带进行合理有效的缠绕，使其成为一个密切的整体。在此基础上，再在外部套上合身的专用硬纸箱或用木架套装。这样，整体包装就完成了。这里需要注意的是，瓷器四周不能绑得太紧，否则花瓶局部容易受到较高的静压力而产生局部应力集中。反之，也不能绑得太松，否则将会造成瓷器本身在泡沫箱中晃动，容易产生冲击而使之受损。

　　从图2可以看出，由于其瓶颈处不与外包装箱接触而没有受到侧面力的作用，对缓冲的贡献几乎没有。为此，对于有些颈部又细又长的花瓶，考虑到节约材料，我们有设计了上下双“哈呋”结构的包装缓冲形式，见图3。 

图3 双“哈呋”包装结构及其动力模型图

　　这样的结构，对于细长颈型花瓶在不损失包装缓冲性能的情况下，可以节约包装材料。

　　3实际效果

　　先后对上述2种结构的包装进行垂直跌落试验。试验条件是将包装箱提升到离地面2.5 m高度后其自由落体，地面选择普通平整的水泥路面。连续反复地做了各20次模拟跌落试验，2个内装花瓶均完好，没有任何破碎现象或裂缝产生。2.5m的高度已足以模拟一般车辆装卸时比较恶劣的冲击状况，说明本文所述的包装设计确实达到了预期的效果。

　　通过对陶瓷工艺品的包装缓冲材料和结构的改进设计，成效显著。从日前运输、搬运、装卸、上架销售等诸环节反馈回来的信息看，几乎没有发现因运输和装卸造成的损坏。与以前相比，损耗率大大降低，收到了良好的经济效益，同时，责任纠纷也大幅度减少。对此，企业、客户都满意。

　　而对于包装箱的处理，随着人们环保意识的加强，可通过回收进行再生利用，使它回到经济循环中，达到保护环境和节约资源的目的。

　　4结语

　　本文对陶瓷工艺品的缓冲包装建立了动力学模型。在应用动力学原理进行定性分析的基础上，放弃了原先采用的不定形式包装材料，采用了经济的人工合成泡沫塑料，并提出了合理的“哈呋”结构包装设计方案。改进设计后的包装对振动、冲击的缓冲效果，从垂直跌落模拟试验和企业实际应用中都得到了很好的验证，并取得了预期的良好效果。上述改进设计的成功，是对陶瓷工艺品缓冲包装的一种有效的尝试，也为今后的设计提供了宝贵的经验。在后续的包装研究中，还将不断地使用新材料和新结构，如异型缓冲纸结构取代泡沫塑料缓冲构件，以期达到更好地保护环境的作用。