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蜂窝型缓冲包装系统冲击特性分析

蜂窝型缓冲包装系统冲击特性分析

2007/12/13 13:09:00
摘要:基于MATLAB对蜂窝型缓冲包装系统的冲击特性进行数值分析,研究了蜂窝型缓冲系统在半正弦波脉冲激励下的冲击响应谱,并讨论了相关参数对它们的影响,对该类系统的缓冲设计具有重要价值。 在电子电工产品、精密仪器、家用电器等产品的缓冲包装领域,越来越多地使用环保型缓冲包装材料。而蜂窝纸板是一种纸质蜂窝夹层板,具有质量轻、强度高、承重大等优点,有着广阔的应用前景。研究了蜂窝纸板的平压特性和冲击响应特性,建立了其冲击响应理论方程,并利用数值求解其冲击响应谱,在此基础上分析了其影响因素,为缓冲包装设计提供了依据。 1 蜂窝纸板的结构及缓冲系统动力学 1.1 蜂窝纸板的结构 蜂窝纸板由芯纸和面纸构成。芯纸呈蜂窝状,由多层纸按照一定的规律粘贴之后拉伸而成,主要承受剪应力。面纸有上下两层,由相同材质,相同厚度的板材构成,主要承受弯矩和扭矩。由于蜂窝纸板的特殊构造,使得蜂窝纸板具有多相性,包括固相、液相及气相。固相成分包括植物纤维、胶料、填料及燃料等,是决定蜂窝纸板力学性能的主要因素;液相和气相的存在使得蜂窝纸板的力学性能更为复杂多变。由于组成纸板材料的空间分布、排列及取向的较大差异,使得蜂窝纸板的力学性能具有显著的各向异性。同时由于蜂窝纸板具有层板结构,表面面板承载能力强,蜂窝夹芯可起到工字梁腹板的作用,空间结构优于瓦楞纸板,缓冲能力强。 1.2 蜂窝型缓冲系统的动力学描述 蜂窝纸板的结构独特,这种独特的结构使它具有优良的力学性能。首先,经实践证明将纸做成蜂窝状其立面的抗压强度是其他方位的100倍,1g的蜂窝状纸板能承受800g的压力而不会变形。 蜂窝纸板的主要成分是纸张,加之构成纸张的填料和胶料,它们又各有不同的物理属性,因而使纸板的力学特性既不同于弹性物体或塑性物体,又不同于理想的流体。当纸张受力变形时,既会呈现弹性变形的某些特征,又会呈现流体的粘性,称之为粘弹性现象。按流变学观点,纸缓冲材料具有粘弹塑性。也就是说,它可以假定是由弹性、粘性、塑性三要素所构成的物质。粘性液体在一定的承受能力状况下具有损耗能量的能力,而不能贮存能量;相反,弹性材料能贮存而不能损耗能量。蜂窝纸板的特性介于两者之间,当它产生动态的应力与应变时,部分能量可以贮存起来,另一部分能量则被转化成热量而被耗散掉。蜂窝纸板作为一种缓冲包装材料,是包装物品在流通过程中受到外力的作用而遭受到冲击和振动时,能吸收外力产生的能量,防止产品遭受破坏,它是具有高度压缩和复原性的粘弹性材料。 2 蜂窝纸板的平压实验 2.1 实验方法及试样 按照GB/T2828进行取样。蜂窝纸芯均为横向上胶,所用胶水为水溶性淀粉胶。试件为100mm×100mm(长×宽),厚为10mm,20mm,35mm,40mm的蜂窝纸板。蜂窝纸板的克重为1.767kg/m2,其芯纸和面纸均为再生纸。 所有试样按GB/T10739进行预处理,蜂窝纸芯与蜂窝纸板的平压强度按GB/1453-87测定,试验设备REGRE-3010电子万能材料试验机,加载方式为固定压头连续加载,加载速度为10mm/min。 2.2 实验结果及σ-ε曲线分析 图1是4种厚度的蜂窝纸板的应力-应变曲线,从试验曲线中可以看出,蜂窝纸板的静态应力-应变曲线均经历3个阶段:
(1)小应变阶段,应力随应变线性增加,且递增较快,这一阶段称为线弹性阶段; (2)中应变阶段,此时,应力随应交的递增十分缓慢,并开始下降,被称为屈服阶段; (3)大变形阶段,曲线开始平稳,并有上升趋势,表明材料已经压渍,此阶段称为压溃阶段,纸板在应变为5%左右的范围内属于弹性阶段,在此阶段可承受反复加载,在应变为60%左右发生压溃。 从试验结果可以看出(见图1),随着蜂窝纸板厚度的增加,容重的减小,抗压强度逐渐减小。 3 冲击响应谱的理论分析 在包装工程上常常用最大冲击响应谱来描述环境冲击和产品响应之间的关系。根据这一理论,产品的最大响应
的比值,被描绘成产品固有频率fn与冲击脉冲持续时间Tk的乘积的函数。 3.1 冲击响应谱分析的意义 冲击响应谱是评价流通环境的新的理论方法,其基本理论是利用不同固有频率的单自由度系统来计算冲击输入下产生的冲击响应。它为在频率域内提供了一个相对于冲击输入的响应估计。因此冲击响应谱是以固有频率为横坐标。以单自由度系统的峰值响应加速度为纵坐标所绘制的曲线图。这样当包装件受到冲击时,便能根据冲击响应谱估计产品和产品内不同元件的响应情况。 利用冲击响应谱可以修正破损边界曲线,避免破坏性实验,减少由于保守设计造成的过度包装。使包装设计更接近流通实况。这无论从降低包装材料、减少运输成本方面,还是从保护环境、节省资源方面,都带来了很多有利的影响。 3.2 力学模型的建立 蜂窝缓冲包装系统的简化模型见图2。
3.4 基于Matlab下的方程求解 Matlab下得到的冲击响应谱的曲线见图3。
从冲击响应谱曲线可以看到3个阶段:弹性阶段、屈服阶段、压溃阶段。 3.5 冲击响应谱影响因素的分析 3.5.1 相对脉冲幅值
对冲击谱的影响
向于某个值。这是高次非线性包装系统的一个极为突出的特点,即外界干扰脉冲幅值增大到一定值时,系统的响应幅值持续增大或增加很少。这说明高次非线性包装系统在强外界干扰下具有比较理想的缓冲性能,与一般的立方非线性包装系统和正切非线性包装系统不一样;而与双曲正切非线性包装系统有着本质的区别。
3.5.2 阻尼ξ对冲击谱的影响 如图5保持
不变,可见,随着ξ的不但的增大,冲击谱曲线中的峰值是不断减小的,但峰值的横坐标却变化很小,对于一个定值的冲击时间,说明随着ξ的增大或减小,其有最大响应时的频率是基本上不变的,都在向ξ=1靠近。
如图6保持
不变,可见,随着ξ的不断增大,冲击谱曲线中的峰值是不断减小的,都在向ξ=1靠近。
4 结 语 (1)试验中的4种蜂窝纸板的静态平压强度明显不同,芯纸的克重对其影响较大,特别是对弹性极限的影响最大;对屈服阶段的影响较小,在塑性变形阶段二者几乎平行。 (2)当初速度恒定时,阻尼比的变大对加速度的影响在冲击作用阶段较小,这是因为作用时间短,阻尼还没有发挥作用;而随着时间变长时,阻尼系数对它们的影响越来越显著,使加速度响应迅速衰减。 (3)当阻尼系数恒定时,初速度对加速度的影响明显,加速度的峰值是随着初速度的增大而增大;对2种材料的影响程度完全不同,对弹性较大系统的影响较弱,而弹性小的系统加速度响应与初速度近似成正比。 (4)初始速度对波形的影响较小,而阻尼比对波形影响较大,对上述4种材料的影响也明显不同。有关材料对振动特性影响的机理还有待进一步分析。
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