发泡缓冲材料本构模型研究及其CAD应用

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发泡缓冲材料是广泛的用作工业产品缓冲包装衬垫,研究缓冲包装材料在静态压缩、动态压缩的力学性能模型,对于其在缓冲包装设计中的应用提供数据支持具有最为实际的意义。限于工作量和试验材料,作者仅以EPP为研究对象,聚丙烯因其良好的能量吸收性、可承受多次跌落、环保性、良好的变形回复性、热稳定性、质轻、尺寸稳定性成为在工业、汽车、包装行业越来越重要的缓冲包装材料。对三种密度的EPP在YE-50压力试验机大量试验,分析EPP压缩本构方程的影响因子,建立了与密度、形状函数相关的静态压缩,然后考虑应变率影响的动态压缩的本构方程,并识别了方程参数。通过对不同密度、不同跌落高度、不同厚度的EPP在不同的静应力的试验条件下进行大量的动态压缩试验,得到其动态压缩的最大加速度-静应力曲线,并以某型机柜为例,根据G_m σ_s缓冲包装设计“六步法”理论设计并制作了原型包装,指出传统缓冲包装设计存在的弊端,同时对比分析几种改进的缓冲设计理论。利用DY-3冲击试验机获得的试验数据,建立动态压缩的应力-应变模型。该模型只需要一组试验数据就可以拟合得到该材料在不同静应力、不同厚度的加速度-时间曲线,极大的节约了试验次数。为了简化数学分析,作者建立了和形状函数、应变率相关的简化动态压缩本构方程,并根据试验识别了模型参数。根据第二章建立了EPP静态压缩的本构方程,阐述其在缓冲设计中的应用,并与采用传统缓冲包装G_m σ_s法设计结果对比可以得出采用静态压缩本构方程设计方法设计结果偏保守,需要更多的试验材料。通过静态压缩本构方程拟合得到的应力-应变数组,作为缓冲材料的载荷曲线,利用有限元仿真软件ANSYS LS-DYNA对DY-3重锤冲击EPP材料进行仿真,得到响应加速度-时间曲线并与试验曲线进行对比,误差在10%以内,证明利用本构方程拟合的应力-应变载荷曲线既能克服将缓冲材料简化为线性材料的缺陷,又避免了需要通过试验获取载荷曲线的弊端。根据第三章建立的简化动态压缩本构方程,得到动态压缩的产品破损边界曲线,指导缓冲包装设计。通过前面章节的理论阐述、模型方程和试验数据,本文作者重点阐述利用LabVIEW开发缓冲设计软件,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,建立了缓冲包装设计数据库,用户可以根据需要调用不同材料、不同密度的材料的数据进行缓冲设计。同时该软件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,该软件只需要输入缓冲设计材料、产品信息等基本数据,软件自动计算目标结果,为一些没有试验条件的工程人员缓冲设计提供帮助和指导,极大的提高了设计效率。
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