航天智能型可拆卸式储运包装箱的优化设计

姚然 李福滨 张立宁 韩磊 王国智

摘  要：根据目前航天储运包装箱结构不规范、尺寸规格多样及作用单一的特点，结合航天产品使用工况、储运条件、检测等特殊要求，从建立目标函数出发，对现有储运包装箱进行优化与改进设计，提出一种模块化、可拆卸式及智能型与检测于一体的航天产品包装箱，为其进一步推广和应用提供了参考。

关键词：航天;智能;模块;包装箱;优化

0 引言

航天产品因应用工况的特殊性，使得它在储存、运输时有别于一般产品，尤其是对温度、湿度、振动、防潮等方面的要求极高，否则会严重影响航天产品的贮存寿命和各项性能[1]。

单从包装箱选材上分析，现行业内大多数包装箱采用木质或铁质材料，由于木质材料的成本低、重量轻，应用较为广泛，但其易开裂、寿命短、防潮效果差;铁质包装箱虽然密封效果好，但重量较大，不耐腐蚀，占地面积大，且重复使用率低，两者均不适合未来航天储运包装箱材料。

近年来，随着科学技术发展，国内外对新型材料的研究越来越深入[1]，应用领域也逐渐扩大，储运包装箱正逐步被具有轻质、耐腐蚀、防霉特性的材料所取代，结构形式也更趋于模块化设计，包装箱通过增加各种传感器而具备了更多智能化的功能，可实时监测箱内环境条件并进行时时反馈分析，包装箱设计变得更加科学合理。

本文结合航天储运相关标准，从选材、尺寸优化、智能化、规整化等设计角度出发，开展智能型可拆卸式航天包装箱设计研究。基于以上分析，为了实现关键目标和满足必要约束条件，确定包装箱规格系列化研究的技术路线从选材、方案、智能这几方面进行设计。

1、选材设计

在满足强度、刚度等基本要求情况下，航天包装箱选材重点考察质量与成本及重复使用率。碳纤维复合材料是目前最先进的材料之一，因其具有质量轻、强度高、耐高温、抗腐蚀及热力学性能优良等特点[2]。碳纤维复合材料非常适用于航天储运环境，实现循环再利用、节约成本的功能，面板之间的连接件材料采用镀锌钢，面板四周为钢边，面板之间加强筋为空心方管，通过铆接增强整体强度和刚度。这种设计方式大大增加了箱体整体强度，同时降低了边角破损率。

2、方案设计

航天用包装箱必须有效隔绝风、霜、雨、雪、沙尘、盐雾、阳光暴晒、化学污染、微生物等外部恶劣环境，并且避免产品运输、存储过程中因震动、环境等对电器系统的损害[2]。结合航天产品包装箱区别于其他行业的要求，本文提出快装可拆卸型包装箱方案，该方案是一种较为经济、安装方便、可重复使用的设计方案，其面板摒弃原有的木制及金属材料，采用高品质的碳纤维复合材料板。

2.1 包装箱尺寸高度多目标模型

国内外学者关于包装箱尺寸设计的研究，主要集中在如下三个方面：包装尺寸规格系列化、标准化的研究[2- 4];集装箱与包装箱尺寸优化的研究[4];减少包装箱原材料用量。

研究中缺乏改善包装箱规格过多的问题，此外航天包装箱的尺寸通常只根据特定产品外观最大包络进行尺寸定值，无法满足多种产品应用，关于系列化尺寸设计的研究是一个空白。

产品高度是研究拼接式包装箱尺寸的必要条件，本文基于该行业的多种产品水平放置状态及多种包装箱入手，研究如何减少航天产品包装箱尺寸规格及数量，确定了包装箱高度尺寸的选型方案以及每种规格适用的产品。

2.2.1 包装箱面板多目标优化模型

优化每个包装规格的面板高度尺寸 Hc，本文考虑设计一个系列的包装箱面板高度尺寸{Hcj}，使得不同产品在不同的应用需要时最优化的找到合适的拼接包装箱。包装箱面板优化考虑两个目标：包装箱的原材料面板用量最少及该包装规格的系列面板能够使得所有产品在装箱时高度方向利用率最大。问题可以描述为如下数学模型：

2.2面板模块化设计

该快装箱方案克服传统包装箱尺寸不统一，造成空间浪费问题。包装箱设计遵循智能化、模块化、可拆卸式设计原则，根据目标函数的提出和实际产品的需求根据大多数型号外形尺寸设计该包装箱结构主要由顶板（2m×1m）、侧板（1m×1m）、底板（2m×1m），两种模块组成，形成了拼接标准系列。底板和顶板模块的尺寸为2m×1m，采用铝合金框架结构，通过方管型材焊接而成，各主梁之间设置了加强筋，使得板的承载能力加强，强度更高，底板作为储物的主要承力部件。

航天储运包装箱模块化设计方式，能够满足不同储物的承载、工况、空间使用需求，具有极强的适应性，其可重复利用性，大大降低了成本。

3、包装箱智能系统设计

现航天产品在检测、维护前常常需要产品出箱、再装箱 、重新充氮密封。产品使用期间可能会多次经历装卸、搬运 、开箱、启封 、检查、测试、装卸、运输等环节。特别是产品装箱集中存放后的批次性开箱检查或检测， 既费时又费工，不利于产品的勤务快速准备、机动和高效保障的要求。在沿海 、海洋湿热 、盐雾地区或风沙等恶劣环境中，这些维护操作会使本已密封包装好的产品暴露于恶劣环境而缩短服役寿命[5]。

智能系统是一种可以感知或测量环境以及包装内产品性能的系统，并将信息传递给终端用于数据检测及积累。智能包装箱通过原有包装箱的基础上增加或改进一些包装箱的结构，增加信息获取和传递单元从而实现智能化的特点。

包装箱的监控系统为了适应各种运输方式的监测需要，拟采用全新全程监控方式，即通过电脑系统在汽车驾驶舱或者飞机货舱内某部位可以直接实现监控功能。这种监控方式更为直观、便捷、精确，功能也更加细化[6，7]。

结论：

本文智能包装箱技术集合了先进的传感测试技术以及信息技术于一体，从模块化、系列化、节约的理念出发，设计了一种智能型可拆卸式航天储运包装箱，使包装箱不但结构紧凑、强度高、重复使用性好，而且集成了智能监测系统，使包装箱可满足航天多种规格的产品及其储运、储存等环境需求。为产品的包装箱设计提供了完整的设计思路，同时也为相关产品的包装箱设计提供参考。

参考文献

[1] 张则敏， 刘琪琳.导弹装备包装对性能的影响与对策 [J] .装备环境工程， 2008， 5（4）：74 -78

[2] 严君.基于 Optistruct 的碳纤维复合材料包装箱结构优化设计[J].复合材料，2012，2

[3] 毛寿松.运输包装器具设计与使用 [M] .北京：中国商业出版社， 1992

[4] 赵丽娟. 包装结构设计中尺寸设计的探讨[J]. 包装工程， 2000， 21（4）： 13-14

[5] 张则敏， 刘琪琳.导弹装备包装对性能的影响与对策 [J] .装备环境工程， 2008， 5（4）：74 -78 .

[6] 姚愷， 吴雪艳， 高欣宝， 等.弹药包装对保障能力的影响分析研究[ J] .包装工程，2007，28（3）：112-114.

[7] 张改梅.智能包装技术及其应用领域[ J].印刷技术，2007，10

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