聚合物泡沫材料因具有良好的緩沖、吸能和減振等特性,在家電行業(yè)中被廣泛地用作包裝緩沖材料。其中以發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)、發(fā)泡聚氨酯(EPU)泡沫材料為代表,制作工藝較成熟且成本低,成為研究人員進(jìn)行包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)的首選材料。研究緩沖包裝結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品的保護(hù)能力其實(shí)就是研究包裝件在危險(xiǎn)載荷環(huán)境下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng),特別是包裝件在跌落沖擊載荷下的特性響應(yīng)。本文以冰箱跌落沖擊為案例,以泡沫包裝材料和冰箱結(jié)構(gòu)用的典型材料為研究對象,通過實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算的方法深入探討其材料的力學(xué)特性。最后建立冰箱包裝件的有限元模型,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算為包裝工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)、落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)裝置對EPS、EPU泡沫材料進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn),探討了泡沫密度、加載速率對材料動(dòng)態(tài)壓縮特性的影響�；趯�(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),考慮了密度相關(guān)性,擬合了獲得材料恒定應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式,克服了落錘試驗(yàn)法難以獲取材料恒定中應(yīng)變率本構(gòu)關(guān)系的問題,建立了 EPS和EPU中低應(yīng)變率下壓縮動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型�；贚S-DYNA中MAT57、MAT163和ABAQUS中Low Density Foam、Crushable Foam四種材料模型分別建立了 EPS、EPU泡沫材料的分析模型。通過模擬落錘沖擊過程,對比試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)MAT163、Crushable Foam對于預(yù)測EPS泡沫材料的沖擊響應(yīng)和能量吸收特性具有較高的精度,Low density foam則能較好地預(yù)測EPU材料。同時(shí)驗(yàn)證了所建立動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型的可靠性。通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)和液壓高速拉伸機(jī),研究了冰箱結(jié)構(gòu)用的塑料材料(HIPS、ABS、GPPS、PP)和金屬材料(DX51D、SPCC)在中低應(yīng)變率下的材料拉伸力學(xué)性能。探討了溫度、加載速率對材料力學(xué)性能的影響。并獲得了材料的力學(xué)行為與應(yīng)變率、溫度相關(guān)的有效數(shù)據(jù),將率效應(yīng)、塑性參數(shù)引入本構(gòu)方程用于冰箱結(jié)構(gòu)的跌落計(jì)算中。最后對冰箱包裝件的跌落沖擊進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明泡沫包裝能顯著減小冰箱結(jié)構(gòu)所承受的沖擊力,延長沖擊作用時(shí)間,增強(qiáng)緩沖和減振效果。底面跌落較棱跌和角跌方式對冰箱結(jié)構(gòu)的危害最嚴(yán)重。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場分布與所受的沖擊力呈正相關(guān)關(guān)系。隨著使用的泡沫包裝材料密度的增大,結(jié)構(gòu)所受的沖擊力越大。當(dāng)應(yīng)用較高密度泡沫時(shí),結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)了塑性變形。針對該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷,本文通過局部優(yōu)化,改善了應(yīng)力集中,同時(shí)降低了結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng),提高了冰箱整體的抗跌落沖擊能力。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.4;TB484
【部分圖文】：

�。硥K試樣進(jìn)行測試，結(jié)果取平均值。??２．２．２實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析??圖２－２示出了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)前后試樣變形情況。對比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)后ＥＰＳ泡沬未出??現(xiàn)橫向膨脹現(xiàn)象，橫截面積始終保持不變，這與泡沬內(nèi)部的氣孔結(jié)構(gòu)相關(guān)。表明ＥＰＳ??泡沫材料的彈性和塑性泊松比均接近零，壓縮時(shí)材料體積不守恒。卸載后，ＥＰＳ泡沫存??在殘余變形。??□??圖２－２?ＥＰＳ泡沫試樣壓縮前Ｊｇ變形對比??為了研宄ＥＰＳ泡沬材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能，以ＥＰＳ２８為例，準(zhǔn)靜態(tài)下兩種不??同應(yīng)變率壓縮的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線對比如圖２－３。??１１??

力表現(xiàn)出一定程度增大。??為了研究泡沬密度對ＥＰＳ泡沬材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能的影響，以應(yīng)變率０．００１ｓ４??為例，３種不同密度的ＥＰＳ泡沫材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比如圖２－４。??Ｊ??ＥＦＳ２０??０?６＇?－?－?－ＥＰＳ２５?／？??—ＥＰＳ２８?ｉ＊??°５?／／）??Ｉ?０?４?＊?／／?Ｊ??ｉ?°３?■??ｗ??０１??０？０?ｉ＊?ｔ?＊?ｉ?１?ｉ?１?ｉ?１??０，０?０．２?０．４?０?６?０．８??Ｓｔｒａｉｎ??圖２－４?Ａｌ、Ｂｌ、Ｃｌ應(yīng)力－Ｊｔ變曲線??實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ＥＰＳ泡沫材料表現(xiàn)出密度相關(guān)性。不同密度的泡沫展示了形狀相似的??彈性區(qū)和乎臺區(qū)的變形規(guī)律。隨著密度增大，平臺應(yīng)力水平増大，密實(shí)應(yīng)變值減少。與??應(yīng)變率相關(guān)性不同的是，密度增大材料彈性模量和屈服應(yīng)力增大明顯�？梢娒芏仁怯绊�??ＥＰＳ泡沬力學(xué)性能的重要囡素。??為了研宄ＥＰＵ３１泡沫材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)得到材料應(yīng)力應(yīng)變曲線如??１２??

?０．８??Ｓｔｒａｉｎ??圖２－５Ｄ１、Ｄ２應(yīng)力－應(yīng)變曲線??實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ＥＰＵ泡沬材料與ＥＰＳ泡沫相似，均雖現(xiàn)了三段式變形區(qū)域，表現(xiàn)出??了一定程度的應(yīng)變率敏感性，隨著應(yīng)變率的增大，材料平臺區(qū)整體應(yīng)力和致密區(qū)應(yīng)力均??有一定提升。不苘的是ＥＰＵ泡沬材料存在明顯的屈服點(diǎn)．，且隨著應(yīng)變率的增大而明顯??增大。彈性模量基本不變。值得注意的是，材料在屈服點(diǎn)后出現(xiàn)了一段時(shí)間的軟化現(xiàn)象，??這在Ｌｉｕ［Ｍ］的論文中被具體研究。??２．３泡沬材料沖擊實(shí)驗(yàn)??２．３．１實(shí)驗(yàn)方法與與工況設(shè)置??動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)在ＩＮＳＴＲＯＮ公司產(chǎn)品ＣＥＡＳＴ?９３５０落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖２－６。??Ｍｌ??｜?丨丨１！??圈■??圖２－６落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)裝域??１３??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2883105