漂珠聚氨酯复合泡沫力学特性及本构模型研究

以粉煤灰漂珠为主要组分的复合泡沫具有较高的比强度和比吸能,在轻质抗冲击结构设计和缓冲防护领域极具应用潜力。然而,漂珠尺寸和增强相等因素对材料力学性能和行为的影响机制尚不清楚,且当前研究尚未构建该类复合泡沫的力学模型,不利于开展结构设计中材料选型和数值仿真等工作。为此,该研究针对漂珠尺寸和蜂窝铝增强相对复合泡沫的力学性能和变形行为的影响规律进行系列准静态压缩实验研究,在此基础上采用Avalle理论构建该复合泡沫的力学模型。结果表明:①当相对密度小于0.29时,漂珠尺寸对复合泡沫的力学性能几乎没有影响;当相对密度大于0.29时,漂珠尺寸对复合泡沫力学性能的影响随密度的增大而增大;②对于含增强相的复合泡沫,含小尺寸漂珠的复合泡沫力学性能有明显提高,铝蜂窝的额外增强效果对包含小尺寸漂珠的复合泡沫更为明显,该增强机制主要是将材料的初始失效模式由剪切转变为轴向压溃;③使用Avalle理论构建的本构模型,其应力平台阶段和能量耗散特性的拟合与实验结果一致,可较为准确地预测该材料的基本力学性能。该研究可为粉煤灰的综合利用及其复合泡沫在轻质抗冲击结构设计中的应用提供理论参考和基本预测模型。     

基于Johnson-cook本构模型的EPE包装跌落冲击模拟

目的将聚乙烯泡沫塑料在动态压缩试验下得到的力学性能引入有限元中,创建材料模型,并应用于跌落冲击仿真分析,以提高仿真的精确度。方法通过聚乙烯泡沫塑料在不同速率下的压缩试验,得到真实的应力-应变曲线,并基于Johnson-cook本构模型在有限元中建立EPE的材料模型。最后用AnsysWorkbench中的LS-DYNA模块对聚乙烯泡沫缓冲包装的跌落过程进行仿真分析,用LS-PREPOST软件进行后处理。在此基础上,对比分析仿真结果和实验结果。结果仿真结果的误差分别为0.85%,1.6%,2.97%,与实验结果基本一致。结论基于Johnson-cook本构模型构建的聚乙烯泡沫塑料有限元材料模型能有效提高低速冲击的仿真精度,为非线性材料和应变率敏感材料的有限元动态冲击分析提供了参考。     

基于有限元法的缓冲材料力学性能分析

目的基于有限元法对发泡聚乙烯(EPE)缓冲包装材料的力学性能进行分析。方法基于有限元法研究缓冲材料的厚度、压板的施压速度对EPE缓冲包装材料的应力分布及应力应变曲线的变化情况。结果随着缓冲材料厚度的增加,最大应力从1.646 kPa逐渐减小到0.624 kPa,材料屈服点的应力从41.700 Pa逐渐降低到14.727 Pa。随着施压速度的增加,压板与EPE接触边缘的最大应力由1.646 kPa逐渐增大到8.617 kPa,应力上升开始点的应力从23.497 Pa逐渐增大到144.978 Pa。结论应力主要分布在压板与缓冲材料接触边缘。随着缓冲材料厚度的增加,最大应力逐渐减小。随着施压速度的增加,压板与EPE接触边缘最大应力逐渐增大,且EPE缓冲材料内部受力区域逐渐增大。     

3D打印TPU材料的力学性能及模型参数研究

为了解决柔顺机构在优化设计过程中试验及性能验证困难的问题，采用3D打印技术对热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane,TPU）材料的力学性能进行了试验研究。分析了材料硬度和打印填充率对TPU材料力学性能的影响，获得了TPU材料较佳的3D打印参数。进行单因素和两因素试验并结合方差分析，确定了显著影响TPU试样柔性的主次因素分别为TPU材料硬度和打印填充率。结合TPU材料的力学性能试验数据，得到了Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden、Valanis-Landel等4种常用超弹性材料本构模型的材料参数与材料硬度、打印填充率之间的映射关系。研究表明：随着TPU材料硬度和打印填充率增大，试样的柔性减弱；在4种超弹性模型中，Ogden模型对于不同打印参数下的TPU试样都具有较好的力学性能预测效果；4种模型在相同TPU硬度、不同打印填充率下的预测效果没有明显差别。研究结果可以为TPU材料的3D打印和有限元仿真分析提供参考，为柔顺机构在设计过程中的试验、性能验证及样件制作提供可靠的技术支撑。     

平板电视物流包装衬垫设计与分析

目的研究如何对平板电视的包装衬垫进行合理设计和安全检验。方法根据缓冲包装五步设计法选取合适的缓冲衬垫。利用有限元软件ABAQUS建立仿真模型并进行单元网格划分,结合显式动力学原理和平板电视撞击地面时弹性势能与时间的关系,对衬垫进行缓冲应力分析和强度检验。结果通过仿真分析可得,平板电视落地的冲击应力远远小于衬垫能承受的最大应力。结论在平板电视的配送过程中,以聚苯乙烯泡沫为材料的缓冲衬垫能对产品起到很好的保护作用。     

一种基于Seth应变张量的超弹性模型

为精确表征橡胶类材料在大变形范围内的力学行为,基于Seth应变张量不变量提出了一种适用于橡胶类材料的不可压缩各向同性超弹性模型。为考察其预测能力,分别利用Treloar经典试验数据和某型炭黑填充橡胶试验数据对该模型、Yeoh模型和二阶多项式模型进行了参数识别。结果表明,在同时使用单轴拉伸和等双轴拉伸试验数据情况下,相较于其他两种常用模型,该模型能够更准确地拟合两种橡胶材料的试验数据,并较好地预测纯剪切(或平面拉伸)试验数据。最后,分别基于前述三种超弹性模型对橡胶衬套进行了静刚度仿真计算和试验验证。结果表明,基于所提出的超弹性模型得到的径向刚度和轴向刚度仿真误差分别为6.61%和9.72%,显著小于基于其他两种模型得到的仿真误差。因此,提出的模型在一定误差范围内能够有效适用于橡胶产品的性能分析。该模型仅含4个材料参数,对不同的橡胶材料有较好地适用性,具有良好的工程应用价值。     

基于 Ansys Workbench 的整体包装件动态缓冲特性仿真分析

目的探索整体包装件的仿真分析方法。方法首先对整体包装进行定频振动试验分析,得到产品响应加速度曲线,然后建立整体包装件的有限元模型,运用有限元软件Ansys Workbench中的瞬态动力学模块(Transient Structural)对其进行了振动仿真分析,得到了包装件的响应加速度、总体位移、等效应力、各向应力等结果。结果由仿真所得响应加速度及试验结果的对比验证了仿真的可靠性,并对缓冲衬垫的动态缓冲特性进行了分析,发现缓冲衬垫内侧承受了较大应力,在振动过程中起主要缓冲作用,而上部护角衬垫外侧边角稳定性稍弱。结论可采取增加厚度的优化措施来提高缓冲保护功能,为非线性材料整体包装件的有限元仿真分析提供了一种可行的创新方法。     

包装衬垫的缓冲性能

分析几种包装衬垫模型的缓冲性能。在衬垫动态压缩和静态压缩试验的基础上,提出泡沫塑料包装衬垫缓冲性能的基本特征,对两种国产泡沫塑料衬垫材料建立了便于反映其缓冲性能而又符合其静态压缩应力应变关系的非线性弹性模型,拟合了模型参数。     

缓冲包装跌落仿真误差分析

目的研究Ansys/LS-DYNA DTM模块跌落仿真分析与经典缓冲包装设计方法之间的误差,并分析阻尼及摩擦因数对仿真结果的影响。方法基于经典缓冲包装设计方法,分别设计线弹性与双线性材料为缓冲材料的产品-衬垫系统;利用Ansys/LS-DYNA DTM模块对线弹性与双线性缓冲材料的产品-衬垫系统进行跌落分析,对比分析理论设计与仿真分析结果。结果对于线弹性材料与双线性缓冲材料的产品-衬垫系统,Ansys/LS-DYNA DTM模块跌落仿真分析与经典缓冲包装理论设计之间的误差均在5%以内。系统阻尼的增加导致所受最大冲击加速度减小;摩擦因数对所受最大冲击加速度影响较小;线性粘滞系数的增加导致所受最大冲击加速度增加。结论对于一般的工程应用,Ansys/LS-DYNA DTM模块跌落仿真分析方法与经典缓冲包装设计方法之间的误差在允许范围内。     

三种建筑钢筋材料高应变率下拉伸力学性能研究

钢筋混凝土结构除承受静载荷外,在恐怖袭击、燃气管道爆炸等特殊情况下还会承受动态载荷的作用,因此,研究其组成材料之一的钢筋材料在动态载荷作用下的力学性能,对于研究钢筋混凝土结构整体在动态载荷作用下的力学响应有重要意义。该文首先利用旋转盘冲击拉伸试验系统对3种常用建筑钢筋材料(HPB235、HRB335和HRB400)在400 s^-1~2000 s^-1应变率范围内的动态拉伸力学性能进行试验研究,然后根据试验数据,分析应变率对屈服强度的影响规律,并对常用的Johnson-Cook本构模型进行修正,以获得可以更好描述这3种钢筋材料动态拉伸应力-应变关系的本构模型及相关的材料参数。研究结果表明:3种钢筋材料的屈服应力均随应变率的增大而增大,而静载屈服应力越低的钢筋对应变率越敏感;修正后的Johnson-Cook本构模型能较好地描述3种钢筋材料的动态拉伸应力-应变关系。     

电饭煲运输包装设计及跌落仿真分析

为研究电饭煲在流通过程中运输包装的缓冲性能,选择了环保型的缓冲材料发泡聚乙烯(EPE)为缓冲衬垫、AB型瓦楞纸板为外包装箱进行缓冲包装设计。根据电饭煲的规格和缓冲要求,对缓冲衬垫和外包装箱的结构进行了计算和设计,并利用Solidworks软件进行建模,并将其导入ANSYS中,设置各层缓冲包装材料的参数后,进行了自由落体跌落仿真试验;通过分析电饭煲运输包装件与地面接触瞬间的应力分布云图和最大应力曲线,发现在跌落过程中的最大应力出现在外包装箱与地面接触位置,最大应力小于电饭煲材料ABS的极限应力。因此,所设计的运输包装满足产品的缓冲要求,达到了保护电饭煲的目的。     

新型悬浮包装的设计与实现

目的针对现有悬浮包装价格昂贵、难以回收利用的问题,设计一种新型悬浮包装。方法以性能良好的PE薄膜为缓冲材料,以高强度的瓦楞纸盒为缓冲结构,制作新型悬浮包装,并将白炽灯紧固于该悬浮包装中,进行跌落试验,验证其缓冲性能。跌落高度为800 mm,包括1次角跌落、3次棱跌落和1次面跌落。结果试验结果显示试样外包装箱的1个角发生形变,缓冲衬垫完好,产品外观和功能无损,说明该包装件对跌落冲击的防护能力达到设计要求。结论该新型悬浮包装具有结构简单、性能良好、生产成本低、可回收利用等优点,能够满足运输过程对缓冲包装性能的要求。     

EPS 泡沫与 C 楞瓦楞纸板串联系统的缓冲分析与应用

基于发泡聚苯乙烯(EPS)和瓦楞纸板的本构关系,建立了由物品与这 2 种材料组成内外包装系统的缓冲模型;进而对工程实例进行了优化设计,介绍了串联模型的具体应用。 研究表明,在缓冲工程设计中不应忽略外包装的"串联"缓冲作用,否则会导致过度包装。     

聚乙烯缓冲材料多自由度跌落包装系统优化设计

在测试基础上,依据粘弹性力学理论,建立发泡聚乙烯缓冲材料动态非线性本构模型,并成功识别了模型参数;应用此模型在一定高度跌落冲击下,建立了多自由度包装系统动力学方程;依据物品响应加速度小于许用值及材料用量最小化两个原则,进行多自由度系统缓冲包装优化设计并获得最优解;基于最优解结构尺寸,测试了发泡聚乙烯缓冲系统的加速度响应值,数值算例及试验的结果表明理论值与试验值的平均相对误差都在0.8%以内。利用此设计方法可有效地避免欠包装和过度包装,克服了最大加速度-静应力曲线不能设计多自由度缓冲包装设计的弊端     

NaOH预处理对废纸纤维发泡材料性能的影响

用NaOH溶液对废纸纤维进行预处理,制备了一种纸纤维发泡缓冲包装材料,研究了NaOH预处理对废纸纤维发泡材料性能的影响。结果表明:经NaOH溶液预处理后,纸纤维发泡材料的发泡倍率、密度及缓冲性能均较未处理试样有所改善;NaOH的用量对纸纤维发泡材料性能的影响,较处理温度和处理时间的影响更为显著。同时,通过试验确定了最佳的废纸纤维发泡缓冲材料预处理条件,即NaOH添加质量为相对于绝干废纸浆质量的2%,且在60℃恒温条件下处理60min。     

发泡缓冲材料本构模型的CAD应用

在发泡缓冲材料本构模型的理论阐述、模型方程和试验数据的基础上,利用LabVIEW开发了缓冲设计软件。该软件根据用户输入条件自动计算出以缓冲面积、材料厚度为设计目标的缓冲包装设计案例,并且根据试验结果和数学处理,建立缓冲包装设计数据库,用户可以根据需要调用数据进行缓冲设计;同时该软件也提供了数据库扩展功能,用户可以将自己试验得到的某种包装材料的数据存入数据库中,扩展数据库中的材料种类。此软件只需要输入缓冲设计材料、产品信息等基本数据,即可自动计算目标结果,为一些没有试验条件的工程人员的缓冲设计提供帮助,极大提高了设计效率。     

大型精密仪器运输包装箱设计及试验

目的为了在控制包装箱整体重量的同时,提高包装箱的气密性及承压能力,对大型精密仪器运输包装箱的结构进行设计及优化。方法针对精密仪器运输过程中"气体保护及密封性"的需求,设计钢骨架与玻璃纤维复合的箱体结构,并利用有限元仿真对设计方案进行分析评估,最后进行箱体的承压试验与气密性试验。结果箱体在极端工况下的最大变形量为4.82 mm,在建立的箱内温度和大气压补偿模型基础上,包装箱泄露率仅为520.5 Pa/48 h。结论采用钢骨架与玻璃纤维复合的箱体结构,满足了大型精密仪器运输的承压及密封性要求,为大型密闭箱体设计及试验提供了参考。     

某型包装箱的低密度聚乙烯缓冲结构设计与分析

目的 基于低密度聚乙烯材料设计一种包装箱的缓冲结构,以满足冲击加速度的设计要求。方法 采用低密度聚乙烯材料对应的最大加速度-静应力曲线进行理论计算,设计出包装箱缓冲结构的初始模型,运用Ansys Workbench有限元仿真软件对包装箱整体进行水平跌落仿真,并对仿真结果进行分析。结果 当缓冲垫设计厚度为75 mm时,包装箱整体跌落后受到的最大冲击加速度低于40g,满足设计要求。结论 基于低密度聚乙烯材料设计的缓冲结构能够对包装箱提供有效的缓冲防护,缓冲性能满足要求。     

Development of an air cushioning material based on a novel idea

The air cushioning material introduced in this paper as a new packaging material represents a new steadying and cushioning system using air pressures. The material is a two‐layer structure consisting of an airtight chamber (air chamber) filled with air and a urethane chamber holding flexible and resilient urethane that permits free air passage. Ordinary air cushioning materials have drawbacks in that they repeat expansion and contraction according to changes in atmospheric pressure and temperature during long storage or transportation to remote destinations. While their expansion may damage the case or the packaged object, their contraction may cause a drop in steadying pressures, so that the contents may move about inside and eventually sustain damage. The two‐layer structure of the new material rectifies the shortcoming of ordinary air cushioning materials that they may be affected greatly by temperature changes. Also, the greatly improved flexibility of the packaging material opens up possibilities for far wider applications in packaging precision devices and machinery. The airtight chamber to be filled with air is provided with an air charge port and an air discharge port, which may be used to control the charged air pressure. The desirable air pressure is such that the urethane in the urethane chamber is compressed to about half the ordinary size. Since it can be checked visually or tactually, the charging of air, which used to be a delicate and rather difficult operation, is easy. Conventionally, most of the packaging materials were of throw‐away type and thus handled as waste materials. The new air cushioning material, which is surfaced with a strong wear‐resistant cloth, is designed for repetitive use, so that it will contribute greatly to the reduction of wastes if systematic recovery is carried out. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

植物纤维多孔缓冲包装材料的研究现状与展望

目的综述植物纤维多孔缓冲包装材料的研究现状,指出已有植物纤维缓冲包装材料研究中存在的问题,并对其研究趋势进行展望。方法通过对国内外有关植物纤维缓冲包装材料研究文献的梳理,将已有研究从原料及组分、发泡方法和成型工艺等3个方面进行分类,并对研究现状进行分析评价。结论植物纤维多孔缓冲包装材料的应用对自然资源的有效利用和减轻泡沫塑料对环境的压力均具有重要意义,通过解决现阶段存在的发泡机理等问题,为植物纤维缓冲包装材料的进一步研究提供参考。