航天智能型可拆卸式儲(chǔ)運(yùn)包裝箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

姚然 李福濱 張立寧 韓磊 王國(guó)智

摘 ?要：根據(jù)目前航天儲(chǔ)運(yùn)包裝箱結(jié)構(gòu)不規(guī)范、尺寸規(guī)格多樣及作用單一的特點(diǎn)，結(jié)合航天產(chǎn)品使用工況、儲(chǔ)運(yùn)條件、檢測(cè)等特殊要求，從建立目標(biāo)函數(shù)出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)運(yùn)包裝箱進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出一種模塊化、可拆卸式及智能型與檢測(cè)于一體的航天產(chǎn)品包裝箱，為其進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：航天;智能;模塊;包裝箱;優(yōu)化

0 引言

航天產(chǎn)品因應(yīng)用工況的特殊性，使得它在儲(chǔ)存、運(yùn)輸時(shí)有別于一般產(chǎn)品，尤其是對(duì)溫度、濕度、振動(dòng)、防潮等方面的要求極高，否則會(huì)嚴(yán)重影響航天產(chǎn)品的貯存壽命和各項(xiàng)性能[1]。

單從包裝箱選材上分析，現(xiàn)行業(yè)內(nèi)大多數(shù)包裝箱采用木質(zhì)或鐵質(zhì)材料，由于木質(zhì)材料的成本低、重量輕，應(yīng)用較為廣泛，但其易開裂、壽命短、防潮效果差;鐵質(zhì)包裝箱雖然密封效果好，但重量較大，不耐腐蝕，占地面積大，且重復(fù)使用率低，兩者均不適合未來(lái)航天儲(chǔ)運(yùn)包裝箱材料。

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)新型材料的研究越來(lái)越深入[1]，應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，儲(chǔ)運(yùn)包裝箱正逐步被具有輕質(zhì)、耐腐蝕、防霉特性的材料所取代，結(jié)構(gòu)形式也更趨于模塊化設(shè)計(jì)，包裝箱通過(guò)增加各種傳感器而具備了更多智能化的功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)環(huán)境條件并進(jìn)行時(shí)時(shí)反饋分析，包裝箱設(shè)計(jì)變得更加科學(xué)合理。

本文結(jié)合航天儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從選材、尺寸優(yōu)化、智能化、規(guī)整化等設(shè)計(jì)角度出發(fā)，開展智能型可拆卸式航天包裝箱設(shè)計(jì)研究?；谝陨戏治?，為了實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵目標(biāo)和滿足必要約束條件，確定包裝箱規(guī)格系列化研究的技術(shù)路線從選材、方案、智能這幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1、選材設(shè)計(jì)

在滿足強(qiáng)度、剛度等基本要求情況下，航天包裝箱選材重點(diǎn)考察質(zhì)量與成本及重復(fù)使用率。碳纖維復(fù)合材料是目前最先進(jìn)的材料之一，因其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕及熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)[2]。碳纖維復(fù)合材料非常適用于航天儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用、節(jié)約成本的功能，面板之間的連接件材料采用鍍鋅鋼，面板四周為鋼邊，面板之間加強(qiáng)筋為空心方管，通過(guò)鉚接增強(qiáng)整體強(qiáng)度和剛度。這種設(shè)計(jì)方式大大增加了箱體整體強(qiáng)度，同時(shí)降低了邊角破損率。

2、方案設(shè)計(jì)

航天用包裝箱必須有效隔絕風(fēng)、霜、雨、雪、沙塵、鹽霧、陽(yáng)光暴曬、化學(xué)污染、微生物等外部惡劣環(huán)境，并且避免產(chǎn)品運(yùn)輸、存儲(chǔ)過(guò)程中因震動(dòng)、環(huán)境等對(duì)電器系統(tǒng)的損害[2]。結(jié)合航天產(chǎn)品包裝箱區(qū)別于其他行業(yè)的要求，本文提出快裝可拆卸型包裝箱方案，該方案是一種較為經(jīng)濟(jì)、安裝方便、可重復(fù)使用的設(shè)計(jì)方案，其面板摒棄原有的木制及金屬材料，采用高品質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料板。

2.1 包裝箱尺寸高度多目標(biāo)模型

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于包裝箱尺寸設(shè)計(jì)的研究，主要集中在如下三個(gè)方面：包裝尺寸規(guī)格系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的研究[2- 4];集裝箱與包裝箱尺寸優(yōu)化的研究[4];減少包裝箱原材料用量。

研究中缺乏改善包裝箱規(guī)格過(guò)多的問題，此外航天包裝箱的尺寸通常只根據(jù)特定產(chǎn)品外觀最大包絡(luò)進(jìn)行尺寸定值，無(wú)法滿足多種產(chǎn)品應(yīng)用，關(guān)于系列化尺寸設(shè)計(jì)的研究是一個(gè)空白。

產(chǎn)品高度是研究拼接式包裝箱尺寸的必要條件，本文基于該行業(yè)的多種產(chǎn)品水平放置狀態(tài)及多種包裝箱入手，研究如何減少航天產(chǎn)品包裝箱尺寸規(guī)格及數(shù)量，確定了包裝箱高度尺寸的選型方案以及每種規(guī)格適用的產(chǎn)品。

2.2.1 包裝箱面板多目標(biāo)優(yōu)化模型

優(yōu)化每個(gè)包裝規(guī)格的面板高度尺寸 Hc，本文考慮設(shè)計(jì)一個(gè)系列的包裝箱面板高度尺寸{Hcj}，使得不同產(chǎn)品在不同的應(yīng)用需要時(shí)最優(yōu)化的找到合適的拼接包裝箱。包裝箱面板優(yōu)化考慮兩個(gè)目標(biāo)：包裝箱的原材料面板用量最少及該包裝規(guī)格的系列面板能夠使得所有產(chǎn)品在裝箱時(shí)高度方向利用率最大。問題可以描述為如下數(shù)學(xué)模型：

2.2面板模塊化設(shè)計(jì)

該快裝箱方案克服傳統(tǒng)包裝箱尺寸不統(tǒng)一，造成空間浪費(fèi)問題。包裝箱設(shè)計(jì)遵循智能化、模塊化、可拆卸式設(shè)計(jì)原則，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的提出和實(shí)際產(chǎn)品的需求根據(jù)大多數(shù)型號(hào)外形尺寸設(shè)計(jì)該包裝箱結(jié)構(gòu)主要由頂板（2m×1m）、側(cè)板（1m×1m）、底板（2m×1m），兩種模塊組成，形成了拼接標(biāo)準(zhǔn)系列。底板和頂板模塊的尺寸為2m×1m，采用鋁合金框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)方管型材焊接而成，各主梁之間設(shè)置了加強(qiáng)筋，使得板的承載能力加強(qiáng)，強(qiáng)度更高，底板作為儲(chǔ)物的主要承力部件。

航天儲(chǔ)運(yùn)包裝箱模塊化設(shè)計(jì)方式，能夠滿足不同儲(chǔ)物的承載、工況、空間使用需求，具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，其可重復(fù)利用性，大大降低了成本。

3、包裝箱智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)航天產(chǎn)品在檢測(cè)、維護(hù)前常常需要產(chǎn)品出箱、再裝箱 、重新充氮密封。產(chǎn)品使用期間可能會(huì)多次經(jīng)歷裝卸、搬運(yùn) 、開箱、啟封 、檢查、測(cè)試、裝卸、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。特別是產(chǎn)品裝箱集中存放后的批次性開箱檢查或檢測(cè)， 既費(fèi)時(shí)又費(fèi)工，不利于產(chǎn)品的勤務(wù)快速準(zhǔn)備、機(jī)動(dòng)和高效保障的要求。在沿海 、海洋濕熱 、鹽霧地區(qū)或風(fēng)沙等惡劣環(huán)境中，這些維護(hù)操作會(huì)使本已密封包裝好的產(chǎn)品暴露于惡劣環(huán)境而縮短服役壽命[5]。

智能系統(tǒng)是一種可以感知或測(cè)量環(huán)境以及包裝內(nèi)產(chǎn)品性能的系統(tǒng)，并將信息傳遞給終端用于數(shù)據(jù)檢測(cè)及積累。智能包裝箱通過(guò)原有包裝箱的基礎(chǔ)上增加或改進(jìn)一些包裝箱的結(jié)構(gòu)，增加信息獲取和傳遞單元從而實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。

包裝箱的監(jiān)控系統(tǒng)為了適應(yīng)各種運(yùn)輸方式的監(jiān)測(cè)需要，擬采用全新全程監(jiān)控方式，即通過(guò)電腦系統(tǒng)在汽車駕駛艙或者飛機(jī)貨艙內(nèi)某部位可以直接實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。這種監(jiān)控方式更為直觀、便捷、精確，功能也更加細(xì)化[6，7]。

結(jié)論：

本文智能包裝箱技術(shù)集合了先進(jìn)的傳感測(cè)試技術(shù)以及信息技術(shù)于一體，從模塊化、系列化、節(jié)約的理念出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種智能型可拆卸式航天儲(chǔ)運(yùn)包裝箱，使包裝箱不但結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、重復(fù)使用性好，而且集成了智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使包裝箱可滿足航天多種規(guī)格的產(chǎn)品及其儲(chǔ)運(yùn)、儲(chǔ)存等環(huán)境需求。為產(chǎn)品的包裝箱設(shè)計(jì)提供了完整的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)也為相關(guān)產(chǎn)品的包裝箱設(shè)計(jì)提供參考。

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