【摘要】：作為一種常用的紙質(zhì)緩沖吸能材料,蜂窩紙板在受到面外壓縮載荷作用下,其在壓縮階段會經(jīng)歷較長的平臺應(yīng)力階段,材料在平臺階段的變形將耗散大量沖擊能量,從而起到保護(hù)產(chǎn)品的作用。蜂窩紙板的緩沖吸能特性與原材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)相對密度密切相關(guān),同時受到運(yùn)輸流通過程中疲勞振動、壓縮出現(xiàn)的疲勞累積損傷等因素影響。本文以蜂窩紙板為研究對象,開展其疲勞壓縮效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與理論分析研究,探討疲勞損傷機(jī)理,研究其基于疲勞壓縮的力學(xué)性能、能量吸收性能、疲勞累積損傷演化、內(nèi)共振條件和包裝動力學(xué)特性變化。研究工作主要包括:(1)實(shí)驗(yàn)研究蜂窩紙板在不同厚跨比、不同壓縮次數(shù)、不同初始預(yù)壓縮率下的疲勞特性。選取3種不同厚跨比的典型蜂窩紙板,進(jìn)行不同壓縮次數(shù)和不同初始預(yù)壓縮率條件下的疲勞壓縮實(shí)驗(yàn),分析獲得蜂窩紙板力學(xué)性能和緩沖吸能特性隨疲勞累積損傷的變化規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)所涉及的相同厚跨比條件下,蜂窩紙板平臺應(yīng)力與單位體積吸收能量均隨疲勞壓縮次數(shù)的增加而減小;隨著壓縮次數(shù)的增加,吸能效率峰值點(diǎn)處的應(yīng)力降低,吸能效率也降低。蜂窩結(jié)構(gòu)厚跨比越大,疲勞效應(yīng)對其平臺應(yīng)力的影響越顯著,在疲勞壓縮后期,壓縮次數(shù)對平臺應(yīng)力影響不大。在低于30000次疲勞壓縮下蜂窩紙板的平臺應(yīng)力變化較為顯著,后期壓縮后,疲勞效應(yīng)對平臺應(yīng)力影響較小。在相同的疲勞壓縮次數(shù)下,平臺應(yīng)力在預(yù)壓縮率εp=25%之前的變化非常顯著,后期變化微弱。隨著預(yù)壓縮率的增大,疲勞壓縮后的初始楊氏模量變化較大,相同次數(shù)下的初始階段斜率都隨著預(yù)壓縮率的增大而減小;同時能量吸收能力在預(yù)壓縮率εp=25%之前變化較大,后期變化較小。(2)研究建立預(yù)測蜂窩紙板基于疲勞效應(yīng)的平臺應(yīng)力模型。模型以蜂窩胞壁厚跨比、蜂窩紙板在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下的平臺應(yīng)力以及損傷程度為控制參量,實(shí)驗(yàn)研究蜂窩紙板在不同疲勞損傷下的面外壓縮特性和平臺應(yīng)力,進(jìn)行理論模型預(yù)報(bào)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,驗(yàn)證所建模型準(zhǔn)確性。(3)建立預(yù)測蜂窩紙板基于疲勞效應(yīng)的能量吸收模型。將蜂窩紙板材料靜態(tài)力學(xué)特征進(jìn)行分段簡化表征,建立蜂窩紙板能量吸收模型,并進(jìn)一步考慮疲勞損傷對能量吸收的影響,構(gòu)建了估算不同疲勞損傷下能量吸收過程的理論模型。理想模型中,每一階段的數(shù)學(xué)關(guān)系式均含有厚跨比、疲勞壓縮次數(shù)、材料屈服強(qiáng)度等因素。得到不同疲勞損傷下蜂窩紙板能量吸收曲線,并由原紙固態(tài)模量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后得到最佳吸能肩點(diǎn)。(4)基于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞累積損傷演化模型,考慮不同預(yù)壓縮率下蜂窩紙板的疲勞特性,選取疲勞累積損傷后的平臺應(yīng)力作為損傷參量,構(gòu)建蜂窩紙板損傷演化模型。同時,采用平臺應(yīng)力法和演化法兩種方法,對蜂窩紙板疲勞累積損傷失效極限進(jìn)行計(jì)算;借鑒纖維增強(qiáng)材料疲勞失效極限S-N曲線法和?-N曲線法,通過平臺應(yīng)力法和演化法得到了蜂窩紙板不同預(yù)壓縮率下的?p-N模型,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。(5)研究建立含有關(guān)鍵零部件的二自由度包裝系統(tǒng)模型,采用變分迭代法的不同迭代準(zhǔn)則求解單自由度、二自由度蜂窩紙板包裝系統(tǒng)的內(nèi)共振條件,并考慮疲勞損傷對內(nèi)共振條件的影響。單自由度蜂窩紙板包裝系統(tǒng)疲勞損傷后,在較低的頻率比下將出現(xiàn)內(nèi)共振。二自由度蜂窩紙板包裝系統(tǒng)疲勞損傷后,改變關(guān)鍵零部件與產(chǎn)品之間的等效彈性剛度將有利于保護(hù)產(chǎn)品。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TS764;TB484

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本文編號：2561731