缓冲包装结构（精选八篇）
缓冲包装结构 篇1
1 脆值的概念与发展
涉及到产品与包装设计的其中一个重要概念, 即脆值。脆值泛指产品的耐冲击能力, 即产品不产生功能损伤或功能失效所能承受的冲击极限。只有全面了解了脆值定义, 在实际设计中对脆值在方向性上具备的差异合理应对, 才能设计出合格的产品和包装设计。
在家电行业中, 产品不发生物理损伤或功能失效所能承受的重力加速度和最大加速度的比值, 即称为G值, 用G来表示, 目前在家电行业中广泛使用。但是, 产品的耐冲击能力不是单一受到峰值加速度影响, 冲击波形、持续时间等元素也会对产品的耐冲击力变化产生影响。随着包装设计系统的发展, 破损边界的概念更多的应用到了包装设计中, 从多种元素量变化突破了设计人员对旧有包装设计的认识, 意识到保证产品安全上采用的矩形脉冲估算方法相对传统, 无法全面解决各个因素对产品产生的冲击, 若想解决上述问题, 必须找到预测产品破损的方法, 才能有效降低产品损失[1]。
2 脆值的确定及提高产品脆值的方法
经验估算法、试验测定法都可作为脆值的确定方法, 其中试验测定法是属于比较精确的方法, 但相对其精确度对来说, 试验成本也很高, 因为这种方法必须具备侧录仪器和试验设备才可以。但是由于脆值试验所具备的破坏特性, 对于单价很高, 并且更新换代很快的电视机产品来说并不合适。
通过相关数据的研究显示, 在结构失效问题上, 局部裂纹、表面摩擦损伤等外壳问题占据了主要影响因素, 还有由结构失效引起的液晶屏和显像管破损、移位等, 因此, 在设计产品和包装时要仔细分析液晶屏、外壳和包装三者之间的受力关系, 在提高产品脆值的同时, 寻求到产品设计和包装设计之间成本的平衡[2]。
3 缓冲包装的力学模型及对包装设计的启示
变形过程中产生的能量损耗是泡沫塑料缓冲机理, 一般包括 (1) 由基体变形产生的能量损耗; (2) 基体单元间摩擦产生的能量损耗; (3) 开孔泡沫塑料中流体的粘性流动产生的能量损耗; (4) 闭孔结构中气体的不可逆压缩产生的能量损耗。因此, 在设计缓冲包装时, 要想缓冲效果越好, 所选取的缓冲材料单位体积吸收能量就要越大。我们可以用C代表缓冲系数, Q代表作用于缓冲材料上的应力, E代表单位体积缓冲材料所吸收的能量, 用公式来表示, 即:C=Q/E, 从这个公式我们可以看出, 当缓冲材料单位体积吸收的能量越多, 则缓冲系数越小。
在电视机设计中, 难以界定易损件。但在理论上我们可以得出这样的结论, 产品主体设计和包装设计之间存在着密不可分的内在联系, 对于能够有效减低冲击响应幅值的阻尼问题, 我们要从理论上和实践上都提高认识, 从而降低易损件对外界的冲击影响。
4 缓冲包装设计的传统方法及有限元数值模拟的应用
发泡聚苯乙烯 (EPS) 作为目前家电行业中使用最广泛的缓冲材料, 对其静态和动态特性研究已经非常成熟。缓冲包装设计的基本方法是缓冲系数-最大应力曲线 (C-m) 法与最大加速度-静应力曲线 (G-s) 法。阐述了产品设计与缓冲包装之间的关系, 对于包装设计具有指导意义。
目前, 作为辅助产品和包装设计的一个重要工具, 越来越广泛的应用有限元仿真软件, 对产品进行仿真跌落分析, 从而达到优化产品设计和包装设计的目的。
在产品和包装设计完成后, 运用数值模拟的方法提前对产品的包装和产品的设计进行了解, 有效优化产品和包装设计。有限元仿真软件对于跌落时产品和包装的各个位置的应力和变形, 及指定位置的加速度曲线, 这些我们评价设计的关键指标都能计算出来。
当然, 实际的试验结果和模拟结果无论使用哪种有限元软件都会有些出入, 其原因是很多方面的:比如有限元模型中理论材料参数和产品外壳和包装的真实材料参数之间存在的差异, 选取的电视机不同计算部位, 结构件之间的联结和接触的处理方法, 以及阻尼值的考虑等多种因素。在实验中, 因为试验设备和人为操作的元素, 有限元仿真模拟的处理是按照理想跌落方向进行的, 而试验中对缓冲包装件跌落方向却不能与模拟完全保证一致, 这就导致了试验结果出现了一定的误差。同时, 影响试验结果差异的因素还包括试验环境、跌落情况等。因此, 模拟数值结果在实际设计中, 只能作为参考来使用, 不能成为根本设计标准。
近年来, 国内外在数值模拟方面提出了机电产品稳健设计优化概念的最新成果, 对设计人员具有积极启示意义。一套适合自己公司的产品设计系统的建立, 需要结构设计人员将设计经验和数值模拟有效统一结合, 通过不断的设计、模拟与试验产生的产品结晶[3]。
5 结束语
结构设计和包装设计在实际的电视机产品设计过程中, 其关系非常密切。产品的脆值是产品结构设计中一个非常重要的因素, 因此, 在产品设计中要重点关注, 从而打好缓冲包装设计的基础。同时, 为了产品在运输安全和包装设计的经济性上得到保证, 对缓冲材料的特性能够更充分的利用, 就要了解缓冲材料的基本特性和缓冲包装的力学模型。同时有效利用有限元数值模拟软件, 争取达到缩短设计周期、降低成本、优化设计的目的。
参考文献
[1]申刚.电视机产品设计和缓冲包装设计关系探讨[J].广西轻工业, 2011, 5 (03) 15-26.
[2]张聚杰.包装衬垫疲劳强度与疲劳缓冲性能的研究[D].江南大学, 2010, 6 (02) 35-56.
冰箱缓冲包装优化设计研究 篇2
摘 要：以某冰箱为例，本文对现在比较科学合理的缓冲包装设计六步法进行了分析和介绍，并且与缓冲材料测试设备以及CAD/CAE包装设计软件相结合，优化设计了包装系统。选择该方法能够有效地降低冰箱包装系统的成本，并且可以确保产品平台通用化的实现，最终能够将冰箱包装系统模块化设计平台建立起来，可以很好的指导其他的冰箱包装设计。
关键词：缓冲包装；优化设计；冰箱现在冰箱行业的竞争越来越多的呈现出白热化的状态，很多冰箱企业的发展的瓶颈就是成本，因此冰箱企业一直在采用材料替代、产品结构设计等各种方法从而对成本进行控制。现在在很多方面的技术已经变得越来越成熟，因此冰箱企业也具有了越来越少的可挖掘的降低成本的空间，然而很少有冰箱企业对如何优化设计包装系统进行深入的研究，往往是在设计完产品之后再对包装设计进行考虑，这样就将包装设计受到的结构设计的影响忽略了，导致包装和产品之间具有较高的综合成本，所以必须要采取有效的措施对包装成本进行控制。
1 冰箱包装设计六步法
①要将在流通全过程中包装件的外部环境条件确定下来，并且制定科学合理的试验标准。②要将可以承受的最大加速度的冰箱表征的脆值确定下来。③对冰箱设计中的薄弱的连接方式、工艺材料以及结构等进行改进，使其脆值得以提升。④以冰箱的缓冲材料以及脆值等综合特性为根据将最佳的尺寸确定下来，并且对缓冲结构进行设计。⑤对环保、成本、特色等多方面的因素进行综合考虑，优化设计包括包装袋、瓦楞纸箱、缓冲垫以及塑料罩在内的物流包装系统结构，同时对原型运输包装件进行制作。⑥严格地以企业的试验标准为根据对原型运输包装件进行试验和评价。一旦试验结果不符合预期的设计结果，就要对试验结果进行参考，对相关参数进行改进，并且要对上述的步骤进行不断的重复，最终到获得满意的结果位置[1]。
2 设计包装系统的步骤
2.1 制定包装系统试验标准 利用跟踪调查国内冰箱运输环境的方式，我们可以发现，卡车双层放置运输是现在国内冰箱物流的基本运输方式，而人工装卸方式则是最为主要的装卸方式，具有较低的机械化装卸程度。以我国冰箱实际的运输情况为根据，并且对国内外包装试验标准进行参照，某公司将新的企业试验标准制定了出来。标准内容主要包括按照底面、三棱以及两角的顺序开展的跌落试验、抱夹试验、斜面冲击试验以及随机振动试验等。
2.2 确定产品的脆值 可以采用下面的方法确定冰箱的脆值：首先是选择结合脆值测试系统和跌落试验机的方式将不同跌落方位的频率以及加速度峰值等确定的冲击响应谱破损边界曲线；其次是选择结合脆值测试系统和跌落试验机的方式将不同跌落方位的频率以及加速度峰值等确定的保守的矩形冲击脉冲确定的破损边界曲线；最后是对已有的类似冰箱的数据的估计进行参考[2]。
2.3 优化产品脆值 在进行试验测试之后，我们发现，某冰箱压缩机底板具有比较低的脆值，在具体的跌落实验中很容易出现变形的情况，只有将很多的缓冲材料添加进去才能够使运输过程中的底板不会发生变形，但是这样就使得运输成本和包装成本得以极大增加。后来通过对过渡结构尺寸等进行调整以及增加强筋等会结构优化设计的方法在保持成本不变的情况下使其脆值得以极大提升，因此大幅度的降低了包装成本。
2.4 设计缓冲部件参数 首先是要选择科学合理的缓冲材料：要保证材料具有较好的振动以及冲击隔离性能，从而可以将向产品传递的振动和冲击减小；要具有较小的压缩蠕变；具有较小的永久变形；与产品直接接触的材料在受到振动和冲击的时候不会对产品表面产生擦伤。
其次是确定缓冲材料技术参数：严格的以冰箱与缓冲部位的动刚度、质量、脆值等为根据对缓冲材料密度进行初选，优化设计缓冲垫的结构，将该缓冲垫的成本计算出来。
再次是确定产品的可缓冲部位：以该冰箱的外形结构为根据可以将其可缓冲的部位确定下来，要保证这些部位具有较高的刚度和强度[3]。
2.5 确定缓冲结构尺寸 要以试验标准中的跌落次数和高度以及该冰箱的脆值等为根据对缓冲的厚度进行初选，然后利用缓冲曲线将最适合的静应力优选出来，通过静应力就能够将缓冲面积求出来。以选定的跌落高度缓冲厚度以及冰箱重量等为根据，然后通过CAD/CAE包装设计软件将最佳缓冲垫缓冲面积确定下来。随后对缓冲材料的性能参数进行优化，而且对上述的优化计算进行不断的重复，就能够得出缓冲垫的结构尺寸。
2.6 验证试验以及优化措施 以上述的缓冲包装设计为根据将样件制作出来之后，就需要采用试验的方式验证包装设计关键性能，跌落试验是其中最为重要的验证试验。通过结合脆值测试系统和跌落试验机的方式将该包装件有关试验结果求出来。然后以试验结果为根据，我们可以发现，相对于脆值而言，各方位的最大冲击加速度都要小，以响应谱项目为根据开展优化设计，并且使成本得以进一步降低，最终选择反复验证的方式将优缓冲包装设计方案确定下来。
3 关于冰箱包装研究的最新进展
现在对冰箱的绿色包装系统进行积极的研究，然后以生物降解与堆肥、能量回收、循环再生、重复使用以及预先减少用量等相关的包装标准为根据，最终能够将与冰箱绿色包装相适应的新型包装系统开发出来，比如低成本的生态塑料袋、循环包装系统、可再生纸浆膜包装系统、低碳的气垫包装系统等。
4 结语
在本次研究中将新的冰箱运输包装试验企业标准建立了起来，在试验内容以及试验项目上相对原标准而言，其具有了很大的提升，并且与物流的实际运输情况更加符合，能够对由于包装而引起的运输过程质量问题进行有效的控制。采用该方式优化设计冰箱包装系统，相对原包装系统而言，其成本实现了较大幅度的降低。总之，通过研究该项目将冰箱包装系统模块设计平台建立起来，从而确保了包装系统参数化设计的实现，除了能够使包装设计的开发进度得以提升之外，还能够对包裝系统结构种类进行有效控制，最终使通用化率得以全面提升。
参考文献：
[1]武英英，许恒庭，沈燕萍，曹雪峰.耐温聚酰亚胺泡沫缓冲材料静态压缩性能研究[J].包装工程，2014（01）.
[2]郭静，康勇刚.充气垫缓冲材料动态冲击性能评价[J].包装工程， 2014（01）.
缓冲包装专利技术综述 篇3
受我国政治经济等诸多客观因素的制约,我国的缓冲包装技术发展相比于欧美明显滞后。在20世纪80年代之前,我国的缓冲包装技术研发工作进展非常缓慢。改革开放后,随着我国经济体制的持续进步与发展,我国的缓冲包装技术也进入了发展时期。目前,我国在缓冲包装材料生产方面已具有量的优势,但在质的提高问题上,我国仍存在较大的提升空间。特别是进入21世纪后,节能环保的理念更为深入人心,走可持续发展的道路已势在必行。
2 国内外缓冲包装专利发展分析
2.1 国内专利发展分析
2.1.1 国内专利申请趋势分析。
受经济发展等因素的制约,我国的缓冲包装起步较晚,20世纪80年代初主要是依靠引进国外生产设备及技术。直至改革开放后,随着我国生产、制造业的发展,物流运输对缓冲包装的需求不断增强,我国缓冲包装得以加快发展。2000年后,缓冲包装技术的专利申请快速增长,如图1所示。
2.1.2 国内重要申请人分析。
缓冲包装的重要申请人大多分布在长三角、珠三角等制造业发达的地区,申请量居于首位的均是大规模的液晶显示器生产商,其对缓冲包装需求较大。其他缓冲包装生产企业与产品制造之间存在密切联系,缓冲包装生产企业以产品制造为依托,为其产品的运输提供合理的缓冲包装材料及包装设计方案。随着制造业的发展和商品流通的加剧,为避免商品运输过程中的破损,缓冲包装不断加速发展,缓冲包装生产企业也不再是简单的进行机械生产,而是更加注重“一体化服务”即集新型包装材料研发、包装产品设计与方案优化等于一体,更加注重知识产权保护,用自身技术占据市场。
2.1.3 国内专利申请领域分布。
图2为国内专利申请领域分布,从图中可以看出,缓冲包装的专利申请主要集中在缓冲包装自身的功能、结构领域,如B65D81/02、B65D81/03、B65D81/05等;缓冲包装的专利申请还集中在其针对的物品上,如B65D85/30、B65D85/48、B65D85/68;此外,缓冲包装通常还作为包装专利申请的部分特征,如B65D5/50、B65D77/26。
2.2 全球专利发展分析
2.2.1 全球专利申请趋势分析。
从图3中可以看出,缓冲包装在全球的发展经过了起步、缓慢发展、快速发展三个阶段。
(1)起步阶段。缓冲包装自起源至上世纪70年代处于起步阶段,相关专利申请较少。主要是由于此阶段经济水平相对落后,商品流通较少,对缓冲包装的需求较低。(2)缓慢发展阶段。上世纪70-90年代,商品流通的增多促进了缓冲包装的发展,但发展速度仍然缓慢,技术相对落后。(3)快速发展阶段。上世纪90年代后,全球化进程不断加快,商品流通的需求进一步促使缓冲包装快速发展,而缓冲包装技术的发展保障了商品流通的可行性,进而直接的影响着商品经济市场的发展。
2.2.2 全球专利申请国别及重要申请人分析。
图4是全球缓冲包装专利申请国别分布情况,从中可以看出,中国、美国、日本占据了全球申请量的一半以上,以上国家均为制造产业发达,进出口贸易繁荣的国家。而我国的缓冲包装虽然起步较晚,但发展迅速,已超越很多发达国家成为申请量最大的国家,这除了与我国是制造业大国、进出口贸易频繁相关外,还与我国近几年鼓励发明专利申请、注重知识产权保护有较大关系。
与国内申请人分布情况类似,全球重要申请人很多也是制造企业,本身生产能力强,工厂数量多、分布广泛,对缓冲包装有着较大的需求与要求,如MATSUSHITA DENKI SANGYO KK(松下电器产业株式会社);另外,虽然我国的缓冲包装专利申请总量已居世界首位,但专利申请分散,国内申请量首位的企业全球排名仅第10位,说明我国的缓冲包装不仅要在量上有较大的发展,更要注重自主研发,不断增强企业实力,实现质的提升。
3结束语
纯水机瓦楞纸板电商缓冲包装设计 篇4
目前，市场上的纯水机大多采用泡沫作为缓冲材料，而泡沫材料虽然缓冲性能好、质量轻、生产成本低，但其易燃，燃烧后会释放有毒气体，且成型后体积较大，物流成本较高。另外，我国制定了限制泡沫塑料产品生产的相关规定，这就要求企业必须寻找绿色材料来代替泡沫材料。瓦楞纸板凭借加工性能佳、缓冲性能好、环保可回收等优势逐渐被广泛应用，而且瓦楞纸板的包装成本与运输成本较低，是替代泡沫材料最经济、环保的选择。
同时，随着互联网技术的飞速发展，网络购物方式的快速流行，纯水机的网络销售越来越普遍，这就要求企业对其缓冲包装进行合理设计。本文，笔者以某品牌纯水机为例，介绍其瓦楞纸板电商缓冲包装的设计过程，供大家参考。
瓦楞纸板电商缓冲包装设计步骤
瓦楞纸板电商缓冲包装发展较晚，其设计不像泡沫材料电商缓冲包装设计一样有理论依据可循，只能依靠设计者的经验，具体设计步骤如下。
（1）了解产品流通环境，给出相关参数。
（2）分析产品本身结构特性，确定产品脆值，根据其结构、形状、性能和缓冲要求，结合雅图CAD等相关设计软件设计出缓冲结构。
（3）配材的选择。根据产品价值高低、性能指标及缓冲要求，选择瓦楞纸板的楞型、里纸、面纸及芯纸。
（4）设计电商运输包装箱。
（5）安全性测试。按照设计图纸打样，在实验室里进行安全性测试。若测试未通过，则调整设计方案，重新测试；若测试通过，即可定案。该步骤一般依靠测试结果或经验判断。
产品特性
本文的包装设计对象为RO-185F厨房纯水机，总重量为10kg，产品最大外形尺寸为385mm×185mm×480mm。内装物有纯水机主机、压力储水桶、说明书、保修卡、电源、鹅型水龙头、配件包等，如图1所示。其中，纯水机主机作为缓冲结构设计的主体，主要由主机板、滤管组成。主机板壁薄、受力面积较大；滤管为聚丙烯材料，壁厚为7～10mm左右，壁厚较厚，强度较大，与主机板相比，能承受较大的冲击力。压力储水桶为塑料材质，不需要缓冲，将其固定在箱内即可。配件种类较多，但质量不大，拟设计一配件盒将其装入，置于箱内，与产品主体不接触。
本设计采用类比法确定该产品的脆值为60G。运输方式为纯水机主机、压力储水桶及配件共同装箱单台运输，毛重为10kg左右，以人工装卸搬运、货车运输为主，发往全国各地。值得注意的是，纯水机装卸过程中需满足91cm的跌落高度。
缓冲结构设计
1.设计思路
考虑到压力储水桶与纯水机主机尺寸的关系，设计中将主机站立放置、压力储水桶及配件置于主机上面，主机板因背面呈平面状，受力面积较大，且为机身突出部分，故应重点防护，因此在主机板四周设计缓冲结构保护，底部设计底座用以缓冲固定。压力储水桶与瓦楞纸箱内壁的空隙处设计一纸盒，用来放置配件。另外，设计过程中根据经验在产品的长、宽和高3个方向上均留出大约3cm的缓冲空间。综合上述分析，利用雅图CAD软件设计出纯水机缓冲结构效果图，如图2所示。
2.尺寸设计
纯水机缓冲结构由3部分组成，包括两个纸卡和一个配件盒。其中，纸卡一采用一片式外折三角形稳定结构，主要用于主机板的重点缓冲保护。同时，当产品受到冲击时，三角形结构可以很好地吸收冲击力，从而起到保护产品的作用，且三角形结构本身为稳定结构不易变形。纸卡一效果图与展开图如图3所示。
纸卡二采用并排3个“几”字形支撑滤管下部，且在上板的对应位置处设计了3个圆孔，用于插入滤管下部，使得产品不发生移动，起到很好的固定作用。上板两侧的结构下折插入下板内，以防下板3个支撑的四边形变形失去缓冲性能。纸卡二效果图与展开图如图4所示。
各配件置于配件盒内，与压力储水桶一起放在主机上方。配件盒内部设计“丁”字形隔板，用于放置滤芯、电源和水龙头开关、其他三部分配件。配件盒展开图如图5所示。
通过以上设计，纸卡及产品组成的缓冲结构的外形尺寸为445mm×245mm×753mm。
3.瓦楞纸板材料选择
缓冲结构设计中常用的瓦楞纸板有A、C、B、E、AB及BC型。根据产品尺寸、重量及实际经验判定，本设计中纸卡及配件盒均采用UV形B型单瓦楞纸板，面纸和里纸选用定量为200g/m2的一等普通箱纸板，芯纸选用定量为127g/m2的一等瓦楞原纸。要求瓦楞纸板的耐破度不低于1000kPa，纵向边压强度不低于4500N/m。
根据所选材料定量，计算瓦楞纸板定量=内外面纸定量之和+∑（瓦楞原纸定量×收缩率）+胶黏剂定量=200×2+127×1.36+25=597g/m2。其中，B型瓦楞纸板收缩率为1.36，胶黏剂定量为25g/m2。
电商运输包装箱设计
1.瓦楞纸板材料选择
在电子商务背景下，产品的流通环境变得更复杂且不可控，快递企业的参差不齐更加剧了商品运输环境的风险性。因此，为保证产品能够适应各种运输环境并安全送达消费者手中，纯水机电商运输包装箱应选用BC型双瓦楞纸板作为包装材料，外面纸选用定量为220g/m2的优等牛皮箱纸板，内面纸选用定量为175g/m2的一等牛皮箱纸板，夹芯纸选用定量为127g/m2的一等普通箱纸板，芯纸选用定量为127g/m2一等的瓦楞原纸。要求瓦楞纸板的耐破度不低于1380kPa，纵向边压强度不低于7000N/m。
2.箱型设计
纯水机产品重量较大，其电商运输包装箱的设计应选用底部强度较高的瓦楞纸箱，本设计选用的是0204型瓦楞纸箱，我们根据纸卡及产品组成的最大外形尺寸445mm×245mm×753mm计算得知，纯水机电商运输包装箱的内尺寸为448mm×248mm×756mm，外尺寸为464mm×264mm×784mm。
试验验证
纯水机电商缓冲包装设计完成后，参照运输包装试验相关国家标准，在标准温湿度条件下，即温度（23±2）℃，相对湿度（50±2）%，分别对产品进行跌落试验、振动试验和压力试验，具体试验项目与结果如表1所示。
通过以上试验验证可知，本文设计的纯水机电商缓冲包装具有较好的保护性能，能够完全取代现有泡沫材料，保护产品不受损坏，符合绿色包装要求，具有极大的推广应用价值。
机载电子设备的缓冲包装设计 篇5
针对设备开展的缓冲包装设计, 应结合设备的特点[3], 如: 设备外部有电连接器和安装支点等突出物;设备根据其在飞机安装的位置不同, 其能够承受的最大加速度 (脆值) 不同;设备多为不规则外形, 外壳经常设计有加强筋等斜面等。缓冲包装设计从以下几个方面进行介绍。
1缓冲包装方法的选择
缓冲包装设计方法有全面缓冲、局部缓冲、悬浮式全面缓冲等三种。在选择缓冲包装设计方法时, 因为设备外表面不是规则面, 所以无法选择全面缓冲包装法, 因为设备可以承受一定的加速度, 基于成本考虑, 不需要采用悬浮式缓冲包装法, 所以, 通常设备采用局部缓冲包装。下面以某设备进行局部缓冲包装设计为例, 介绍缓冲包装的设计。
2缓冲包装设计步骤
2.1一般步骤
缓冲包装设计按以下步骤执行:A.确定所有有关的因素, 它们包括产品的特性、重量、脆值、尺寸及其他特点 (如凸起部分或非支承表面等) 、产品的数量、预计的运输环境条件 (尤其是跌落高度、包装容器冲击部位、大气条件以及运输方式等) ;B.确定防护产品的最经济的缓冲包装材料及方法;C.计算或估算需要用来补偿蠕变的缓冲衬垫的厚度余量;
2.2基本参数的确定
在开展缓冲设计时, 需确定以下参数:A.产品特性:包括产品的长、宽、高的外形尺寸 (A×B×C) , 重量 (W) ;B.脆值:产品的脆值是机载电子设备在破坏和发生功能失效前在任何方向所能承受的最大加速度。目前民机机载设备产品约为20G, 军机机载设备产品约为40G;C.跌落高度 (H) :按照HB5871.1规定, 设备类产品的包装件流通条件为Ⅰ级 (运输距离远、转运次数多, 可能遇到粗暴的装卸作业) 。按照HB5871.4规定, 包装件流通条件为Ⅰ级, 重量小于25KG时, 其跌落高度为900mm。
2.3缓冲包装材料的选择
目前GJB/Z 85缓冲包装设计手册中, 常用的缓冲材料有聚氨酯、聚乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、气泡薄膜等几种。其中聚乙烯泡沫具有密度低、重量轻、隔热、防水和良好的缓冲性能等优点, 考虑到采购渠道和使用经验方面, 本文推荐选用聚乙烯泡沫作为缓冲包装材料。该种材料可以针对设备有突出物的特点, 在包装时及时对相应区域进行裁剪修改, 方便操作。
2.4缓冲包装材料的厚度
2.4.1计算方法
确定缓冲材料的厚度按照以下情况进行计算:
对于已经确定了缓冲材料和产品的接触面积A的情况下, 需确定厚度, 按以下公式进行计算:
a) 由公式 σm=WG/A求出最大应力;
b) 找出缓冲系数C- 最大静应力 σm曲线中对应最大应力值的缓冲系数C;
c) 根据公式T=CH/G, 求出缓冲材料的最小厚度T。
2.4.2示例
某设备, 如图1所示, 其重量为15KG, 外形尺寸为320mm ×256.3mm×194mm, 其脆值为40G, 要保证从90CM的高处跌落而不破损, 缓冲材料选用密度为0.037g/cm3的聚乙烯泡沫, 计算产品上下接触面的缓冲材料所需最小厚度。
由于上下接触面是产品的外表面全面缓冲, 所以已知了接触面积A, 则按照计算方法中的第一种方法进行计算即可。
a) 由公式 σm=WG/A求出最大应力:
b) 找出缓冲系数C- 最大静应力 σm曲线中对应最大应力值的缓冲系数C;从缓冲材料C-σm曲线, 密度为0.037g/cm3的聚乙烯泡沫对应的 σm=0.7×105pa时, 缓冲系数C=5.2。
c) 根据公式T=CH/G, 求出缓冲材料的最小厚度T。
由此可以计算出, 上下接触面的最小厚度为11.7cm。
3结语
我国机载电子设备的运输包装由于一些条件所限, 缓冲包装设计经验还不够成熟, 设计人员往往是冗余设计或盲目设计, 导致缓冲包装没有起到应有的作用, 缓冲包装设计作为设备运输包装的重要部分, 只要设计人员充分认识缓冲包装设计的重要性, 以标准为依据, 合理选取设计防护材料, 积极积累经验, 才能使设备的运输包装真正满足包装、装卸、运输等要求。
摘要：通过对缓冲包装设计理论进行研究, 针对机载电子设备越来越精密、集成度越来越高的特点, 提出适合于机载电子设备缓冲包装的方法, 并按照局部缓冲包装法对某机载电子设备的缓冲包装进行设计。
关键词：机载电子设备,缓冲包装,运输包装
参考文献
[1]朱兰琴, 杨文芳, 李雨.某机载电子设备机架隔振缓冲系统设计[J].振动与冲击, 2015, 34 (11) :183-187.
[2]生建友.谈军用电子设备的包装[J].包装工程, 2013, 34 (011) :121-125.
甘蔗渣制备缓冲包装材料的工艺研究 篇6
关键词：机械活化,甘蔗渣,木薯淀粉,缓冲包装材料
植物纤维缓冲包装材料是近年来针对石化资源日益枯竭及难降解材料污染严重而发展起来的一种新型绿色包装材料, 具有原料来源广、无毒、无污染等特点。甘蔗渣是天然植物纤维的一种, 具有价格低廉、可生物降解的特性, 可作为复合材料的增强成分[1]。近几年对甘蔗渣的开发研究越来越多, 但在缓冲包装材料上的应用才刚刚起步, 因此研究制备蔗渣纤维缓冲包装材料 (BFCPM) 具有较大的理论意义和应用价值。甘蔗渣以纤维素的结晶纤维丝为骨架, 木素和半纤维素形成牢固结合层包围着纤维素, 构成高度结晶结构, 导致与淀粉、填料等相容性差, 因此须对甘蔗渣进行预处理[2]。本研究采用自制搅拌球磨机对甘蔗渣进行机械活化预处理, 以木薯淀粉为粘合剂, 碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸铵复配为发泡剂, 滑石粉为填料制备BFCPM。以产品密度和压缩强度为指标, 分别考察机械活化时间、淀粉含量、发泡剂用量、填料含量和温度等因素对材料性能的影响, 探讨其最佳工艺条件。
1 材料与方法
1.1 原料及设备
原料:甘蔗渣, 广西南宁糖业股份有限公司;木薯淀粉, 广西农垦明阳生化集团股份有限公司;碳酸氢钠 (AR) , 天津市北方天医化学试剂厂;碳酸氢铵 (AR) , 上海试剂四赫维化工有限公司;碳酸铵 (AR) , 西陇化工股份有限公司;滑石粉 (工业级) , 江西京东药业有限公司。
设备:101A-2B型电热鼓风干燥箱, 上海实验仪器厂;机械活化装置, 参见文献[3];成型模具, 自制;DNS-100电子万能试验机, 长春试验机研究所。
1.2 方法
1.2.1 机械活化甘蔗渣的制备[4,5]
称60-80目甘蔗渣, 放入机械活化装置中进行机械活化, 达到规定活化时间 (tM, h) 后取出, 分离过筛备用。
1.2.2 机械活化甘蔗渣纤维缓冲包装材料的制备
以碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸铵为发泡剂, 木薯淀粉为粘合剂, 滑石粉为填料, 按一定比例与甘蔗渣共混, 并加入适量水搅拌均匀, 倒入自制模具, 在一定温度下于烘箱发泡反应一定时间, 得样品。
1.2.3 BFCPM密度的测量
参考国标GB8168-87测定BFCPM的密度[6]。密度按式 (1) 计算:
式中:ρ—材料的密度, g·cm-3;M-材料的质量, g;L—材料的长度, cm;W—材料的宽度, cm;T—材料的厚度, cm。
1.2.4 BFCPM压缩强度的测试
压缩强度是在静态压缩试验中, 试样直至破裂 (脆性的缓冲材料) 或产生屈服 (非脆性的缓冲材料) 时达到的最大压缩应力。压缩强度是一个重要的力学量, 是表征缓冲包装材料抵抗压缩时的载荷而没失效的能力。
压缩强度测试按国标GB8168-87进行[6]。压缩强度按式 (2) 计算:
式中:P—材料压缩强度, MPa;F—样品承受的最大压缩力, N;A—样品面积, cm2;
2 结果与讨论
2.1 机械活化时间对BFCPM密度和压缩强度的影响
固定粘合剂质量分数20%, 发泡剂质量分数10%, 填料质量分数20%, 温度120℃, 考察甘蔗渣机械活化时间对BF-CPM密度和压缩强度的影响, 结果如图1所示。由图1可见, 随着甘蔗渣机械活化时间的增加, 密度逐渐减小, 压缩强度逐渐增大。这是因为机械活化预处理使蔗渣木素对纤维素的支撑保护作用减弱, 纤维束松散, 结晶结构改变, 结晶度下降, 无定型区增多, 比表面积增大, 稳定性降低, 自由羟基含量增多[7,8,9,10,11], 从而使甘蔗渣与淀粉、填料等其他物质的相容性得到提高, 便于产生稳定均匀的气泡, 有利于形成更多的立体网状空间构架, 导致密度下降。经过机械活化预处理后的甘蔗渣浸润性得到改善, 与淀粉、填料等物质的结合力提高, 粘合性更好, 发泡优良, 产生的泡孔更均匀, 从而提高了力学性能, 使压缩强度逐渐增大。
2.2 淀粉粘合剂含量对BFCPM密度和压缩强度的影响
固定甘蔗渣机械活化时间2.0h, 发泡剂质量分数10%, 填料质量分数20%, 温度120℃, 考察淀粉含量对BFCPM密度和压缩强度的影响, 结果如图2所示。
由图2可见, 在一定范围内, 密度随着淀粉含量的增大逐渐减小, 当含量为20%时密度达到最小值, 超过20%之后, 密度反而增大。这是因为粘合剂主要起到增加浆液黏度, 加强纤维粘合能力, 提高气孔相互联结的作用;当粘合剂含量小时, 体系黏度过小, 分解的气体突破粘合剂的粘合力逃逸没有形成气泡, 致使发泡效果不好, 所以密度大;当不断提高淀粉含量时, 体系黏度增大, 对甘蔗渣纤维和其他原料的粘合性更好, 结合更紧密, 从而使发泡效果较好, 密度降低, 同时也提高了材料的强度, 压缩强度也提高了[12]。但淀粉含量达到一定值后, 体系的黏度过大, 致使原料之间结合力过大, 气体受热发生膨胀的动力不足以克服原料之间的粘合力, 所以发泡程度有所降低, 导致密度又增大。淀粉含量过高时, 也容易使淀粉大分子链纠缠一起, 聚集成团, 各物质分散不均匀, 从而压缩强度有所下降。
此外, 在蔗渣纤维缓冲包装材料成型过程中, 淀粉用量过大, 会使体系的黏度过大, 这会造成各物质对设备的粘附力强, 增加在实际操作中的难度[13,14]。同时, 体系黏度过大也影
响甘蔗渣纤维在浆液中的分散, 直接造成BFCPM制品的不均匀性。
2.3 发泡剂含量对BFCPM密度和压缩强度的影响
固定甘蔗渣机械活化时间2.0h, 粘合剂质量分数20%, 填料质量分数20%, 温度120℃, 考察发泡剂含量对BFCPM密度和压缩强度的影响, 结果如图3所示。
由图3可见, 密度随发泡剂含量的提高而逐渐减小, 且开始阶段减小的速度较快;但当含量超过10%之后, 密度随发泡剂含量的增加而变化较小;压缩强度随发泡剂含量逐渐提高而逐渐减小, 开始阶段, 压缩强度减小的速度较慢, 但当发泡剂含量超过10%之后, 压缩强度减小的速度增快。其原因是反应过程中分解产生的气体量随发泡剂用量的增加而增大, 并且发泡剂在整个体系中的分散均匀度也决定了材料制品泡孔的大小及泡孔的均匀程度[12]。发泡剂用量少时, 分解产生的气体也较少, 即单位体积内发气量少, 气体受热产生的膨胀力不能突破体系的粘合力, 使产生的泡孔结构较少, 密度较大, 压缩强度也大;但随着发泡剂含量增多, 分解产生的气体不断增多, 气体受热膨胀突破体系的结合力, 产生气孔多, 形成一种较理想的立体网状结构, 发泡较好, 密度减小, 压缩强度也降低。但发泡剂含量过多, 气泡之间容易形成大气泡, 造成发泡不均匀, 不易控制成型[15]。
2.4 填料含量对BFCPM密度和压缩强度的影响
固定甘蔗渣机械活化时间2.0h, 粘合剂质量分数20%, 发泡剂质量分数10%, 温度120℃, 考察填料含量对BFCPM密度和压缩强度的影响, 结果如图4所示。
由图4可见, 在一定范围内, 密度随着滑石粉填料含量的增大逐渐减小, 当滑石粉填料含量达到20%时密度达到最小值, 超过20%之后, 密度反而随着滑石粉含量的增大而增大。究其原因, 在制备BFCPM的过程中, 纤维之间的孔隙较大, 虽然纤维之间会有氢键和其它次价键的形成, 但整个发泡体的强度还是比较小, 需要加入补强物质。滑石粉填料在体系中起到填充纤维空隙、加强纤维结合力、提高材料强度、防止体系坍塌的作用[13,16];此外它还是一种成核剂, 可增加体系泡孔数目。随着滑石粉用量的增加, 发泡较好, 密度降低, 压缩强度提高。但滑石粉填料含量过高时, 在体系中会大大降低体系的黏度, 影响甘蔗渣纤维和淀粉的结合, 致使发泡效果不好, 密度上升, 同时也降低材料的强度。由于滑石粉的化学性质不活泼, 具有耐化学药品性和电绝缘性, 可提高材料的耐水性;同时滑石粉的加入也降低体系对模具的附着力, 便于实际操作加工[17]。因此本实验中滑石粉填料的含量选择20%。
2.5 温度对BFCPM密度和压缩强度的影响
固定甘蔗渣机械活化时间2.0h, 粘合剂质量分数20%, 发泡剂质量分数10%, 填料质量分数20%, 考察温度对BF-CPM密度和压缩强度的影响, 结果如图5所示。
由图5可见, 在一定范围内, 密度随温度的上升逐渐减小, 当温度达到120℃时, 密度达到最小值, 当温度超过120℃之后, 密度反而随着温度的上升而稍有增大趋势。分析其原因, 温度低, 则气体分解不完全, 造成材料气泡较少, 影响材料的发泡, 密度较大;温度升高, 分解的气体多, 发泡效果较好, 密度降低;但温度过高, 气体分解过快, 发泡膨胀动力过快, 致使浆液体系无法完全包容气体, 气泡破裂, 发泡效果不好, 密度反而稍有增大。
由图可知, 压缩强度随着温度的升高而逐渐降低。温度低时, 气体分解少, 发泡低, 压缩强度大, 随着温度的升高, 分解气体多, 发泡较好, 压缩强度有所降低, 但温度过高,
气体分解较快, 造成发泡不均匀, 影响了材料的强度, 致使压缩强度降低较快。
3 结论
蔗渣纤维缓冲包装材料制备的较优工艺条件为:机械活化时间2.0h, 反应温度120℃, 粘合剂质量分数20%, 发泡剂质量分数10%, 填料质量分数20%, 在此条件下制备的蔗渣纤维缓冲包装材料密度0.228g.cm-3, 压缩强度1.751MPa。
MT-2型缓冲器结构及材料优化 篇7
1 优化前缓冲器模型碰撞仿真分析
1.1 缓冲器碰撞仿真
由于实际的缓冲器结构材料复杂, 难以建立模型, 因此将其简化为一个黑匣子问题, 形状设为圆柱体, 将材料整体简化设为一个复合材料进行仿真模拟优化, 反求其结构和材料参数[2]。
基于动力学软件PAM-CRASH基本模块的特点, 可以在 VIEW 模块中直接搭建 MT-2型缓冲器的三维实体模型, 选用SOLID45单元, 单元大小设置为0.02 m, 材料选为材料37。PAM-CRASH中两个动静缓冲器等效模型如图1 所示。
根据MT-2型缓冲器的特点, 可以采用橡胶来代替弹簧, 即弹簧的刚度和阻尼, 用材料参数Mu1、Mu2定义橡胶的力学性能, 给定Mu1、Mu2初始值, Mu1=9.0e+6;Mu2=-5.04367e+6。
在冲击试验中, 缓冲器已装车运行, 车体的质量对仿真结果影响比较大, 但建立车体模型会使仿真模型过于庞大、冗余, 因此可以将车体质量以30 t质量块的形式加在缓冲器的尾端, 赋予3 km/h的初速度;静止缓冲器尾端表面加固支约束, 既可使模型得到简化, 又不会影响仿真结果的准确性, 如图2所示。
本次计算对撞两缓冲器之间接触设置为33#主从接触, 其中被撞的缓冲器为slave, 运动的缓冲器为master;单个缓冲器的接触设为10#自接触。
1.2 缓冲器碰撞仿真结果分析
仿真结果如图3所示, 分析可以看出, 先是缓冲器前端结构发生变形, 大约在60 ms时变形达到最大, 此后有轻微回弹现象, 直至碰撞结束。
将仿真结果与试验数据曲线 (见图4) 相比较, 可以得出该缓冲器模型碰撞所得的碰撞接触力随时间变化的曲线、峰值及达到峰值的时刻均与试验曲线有差距, 因此, 接下来结合iSIGHT优化软件, 对所设计的缓冲器模型进行优化。
2 基于iSIGHT软件的缓冲器结构优化
2.1 iSIGHT集成PAM-CRASH
首先, 因为PAM-CRASH提供了批处理运行模式, 能够自动执行命令流文件, 命令流文件可以用记事本打开, 所以只要通过文件解析功能就可以使iSIGHT自动地修改命令流文件, 从而控制PAM-CRASH的自动运行; 其次, PAM-CRASH提供了自动记录命令流的功能, 可以利用PAM-CRASH的命令将命令流保存到*.py文件中。在PAM-CRASH分析中, 首先将PAM-CRASH生成的*.pc文件读入, 然后进行碰撞仿真分析。
2.2 缓冲器优化的数学模型
一般地, 优化问题的数学表达式可描述为:
Min f (X) X={x1, x2, …, xn} X∈Rn
s.t. hk (X) =0, k=1, 2, …, p, p
gi (X) ≥0, i=1, 2, …, m (1)
式中, hk (X) 和gi (X) 分别为等式及不等式约束函数, f (X) 为目标函数, X为设计变量, 系n维向量。这里主要对缓冲器优化, 有其一定的特殊性, 采用无约束优化, 只对设计变量材料参数Mu1、Mu2定义为a、b并给定了一个优化取值范围, 赋初始值分别为0.9e+7, -0.5e+7。
Min r5 (Mu1, Mu2)
Mu1 ={a1, a2, …, an} a∈Rn
Mu2 ={b1, b2, …, bn} b∈Rn
s.t. 8e+6≤a≤9e+7-1e+7≤b≤-1e+5 (2)
以缓冲器碰撞接触力试验数据为目标函数, 结合碰撞结果所得到的接触力曲线, 对两者作差后的绝对值求积分值就是目标值, 定义为r5, 求最小值Min r5 (Mu1, Mu2) 。
应用协同优化方法对上述缓冲器总体设计进行优化求解。系统级以及分系统级优化均采用iSIGHT提供的Hook-Jeeves模式搜索算法, 且每一次迭代过程完成一次系统级和学科级的寻优。因为采用无约束优化, 因此只有目标函数和设计变量两个因素, 所以在iSIGHT中只需建立一个Task任务, 包含Simcode0 和Simcode1两个仿真模块, 其中Simcode0为输入模块, Simcode1为输出模块。
2.3 缓冲器模型在iSIGHT中进行优化
用iSIGHT的Monitor监控优化过程, 设计变量a、b及目标值r5的迭代过程。设计变量a、b及目标值r5, 碰撞接触力-时间曲线的输出, 如图5所示。
在设计优化环境下利用缓冲器, 运行iSIGHT软件, 对输入文件和输出文件进行解析, 进行缓冲器冲击试验数值仿真, 运行得到优化结果。图5所示的时间-碰撞力曲线是对缓冲器主要参数进行优化前后的仿真曲线, 加深的曲线为试验数据曲线, 其他为具有代表性的几条缓冲器模型碰撞仿真所得到的接触力-时间曲线。
分析比较以上结果可以得出以下结论:缓冲器的材料的Mu1、Mu2的变化影响到碰撞结果所得到的接触力曲线, 其中Mu1的影响最为直接, 可以发现, 在现有的缓冲器模型基础上, 改变设计材料的Mu1、Mu2的值, 只能得到抛物线形状的接触力曲线, 或者碰撞初始与试验所得曲线相近, 或者碰撞后期与试验所得曲线相近, 并不能得到有转折点的试验曲线, 所以得出结论, 该缓冲器模型与试验要求不一致, 还需在原有缓冲器模型上进行结构的改进。
3 改进后的缓冲器材料优化
改进后的缓冲器的有限元模型分为两部分 (见图6) , 内芯部分凸出, 首先接触开始受力变形, 一定行程后, 外套部分才开始接触受力, 参与碰撞。材料均取37#橡胶材料。内芯和外套之间、两冲击缓冲器之间接触方式均定义为33#主从接触。
3.1 4个设计变量
初步设计4个设计变量内芯和外套两组Mu1、Mu2的4个材料参数为优化的设计变量, 内芯的Mu1、Mu2定义为a、b;外套的Mu1、Mu2定义为c、d。其中初始值a=1.5e+7, b=-1.2e+7, c=1.5e+8, d=-1.2e+7。
内芯:Mu1 ={a1, a2, …, an} a∈Rn
Mu2 ={b1, b2, …, bn} b∈Rn
s.t. 1.5e+6≤a≤1.5e+8-1.2e+8≤b≤-1.2e+6 (3)
外套:Mu1 ={c1, c2, …, cn} c∈Rn
Mu2 ={d1, d2, …, dn} d∈Rn
s.t. 1.5e+6≤c≤1.5e+9-1.2e+8≤d≤-1.2e+5 (4)
优化过程确定了对优化结果影响略小的Mu2的取值, 其中内芯的Mu2取b=-1.62e+6, 外套的Mu2取d=-1.65e +5。
3.2 2个设计变量
改进设计2个设计变量, 内芯的Mu1定义为a, 外套的Mu1定义为c, 其中初始值a=5e+7, c=1.5e+8。
内芯: Mu1 ={a1, a2, …, an} a∈Rn
外套: Mu1 ={c1, c2, …, cn} c∈Rn
s.t. 1.5e+6≤a≤5e+85e+6≤c≤5e+9 (5)
3.3 改进后缓冲器碰撞仿真结果分析
对改进后的缓冲器实体模型进行碰撞分析, 生成 .THP文件, 并从结果文件中读取碰撞接触力曲线输出到结果文件中。
根据上述优化方法对缓冲器进行优化, 在仿真试验中, 以3 km/h的速度进行冲击, 仿真结束后, 将仿真结果和试验结果进行对比。在设计优化环境下, 运行iSIGHT软件, 对输入文件和输出文件进行解析和缓冲器冲击试验数值仿真, 运行得到了优化结果。最终得到的仿真分析结果和试验结果很相近, 误差在设计允许范围内, 且总体趋势一致, 如图7所示。对缓冲器模型进行碰撞仿真材料优化所得到的接触力-时间曲线和试验数据曲线在峰值、转折点、变化趋势上都十分吻合。
4 结论
(1) 在设计优化理论研究的基础上, 利用iSIGHT搭建了缓冲器设计优化的框架, 对优化的结果进行了比较, 并利用MT-2型缓冲器结构的优化实例对算法进行了验证, 结果表明开发的优化算法可以实现优化目标。
(2) 缓冲器材料的Mu1、Mu2变化影响到碰撞结果所得到的接触力曲线, 其中Mu1的影响最为直接, Mu2的影响次之, 调整正确的Mu1、Mu2数值即能得到所需要的试验曲线, 所以得出结论, 该缓冲器模型与试验要求一致, 改进后的缓冲器模型完全可以用于模拟实际MT-2型缓冲器。
(3) 通过分析缓冲器基本结构参数和材料参数对缓冲器动态特性的影响规律, 为重载货车缓冲器的设计制造提供理论依据和试验参考, 同时也可为重载货车纵向动力学的深入研究提供相应参考依据, 确保我国缓冲器能够满足重载运输要求。
参考文献
[1]陈雷, 姜岩, 孙蕾.关于重载铁路货车缓冲器技术的研究[J].铁道车辆, 2007 (8) :6-13.
侵彻战斗部缓冲结构的应力衰减研究 篇8
关键词：侵彻战斗部,冲击,缓冲结构,应力波,优化
近年来,侵彻战斗部对地面或舰艇内部目标的攻击和毁伤,已逐渐成为攻击地下深层目标或舰艇的重要手段[1]。随着战斗部着速的不断提高以及高能炸药的应用,战斗部毁伤威力得到大幅提高,与此同时,战斗部装药受到的惯性压缩载荷作用也急剧增大,所以其在随战斗部穿入目标时的安全性问题已成为关注的热点。
目前,主要采用在战斗部装药头部设置缓冲结构进行缓冲、吸能,以降低炸药装药所受到的应力载荷,使装药能够适应更高的侵彻速度。国内外针对缓冲材料对冲击波的衰减开展了大量的研究工作,Petel[2]等采用钢和泡沫铝材料设计了不同的缓冲结构,证明冲击波随着介质层数的增加而加快;Tedesco[3]等研究了分层缓冲结构的冲击波衰减特性,提出分层结构能够更为有效的降低冲击波强度。国内,陈闯[4]、石少卿[5]、徐蓬朝[6]、王宇新[7]等人从缓冲材料、组合方式、阻抗匹配等方面研究了不同介质及其组合方式对冲击波的衰减作用;但其所采用的材料主要集中于铝(包括泡沫铝)、有机玻璃和普通45钢,而目前侵彻战斗部的缓冲层已开始采用聚碳酸酯、聚四氟乙烯、橡胶等的组合缓冲结构,且取得了良好的试验效果,然而目前关于这些材料组成的缓冲结构对应力波的衰减作用未开展系统研究。
本文以新型侵彻战斗部用缓冲材料为对象,设计了双层、三层及夹层式缓冲结构,在同样的载荷强度下对不同的缓冲结构开展了冲击加载试验,探讨了不同缓冲结构对应力波的衰减特性,能够为高速侵彻战斗部缓冲结构设计提供技术支撑。
1 弹性波通过不同介质的衰减缓冲效应理论分析
侵彻战斗部在侵彻过程中产生的应力波向弹体内部传播,基于应力波在不同介质界面的透射作用可以对侵彻战斗部多层缓冲结构进行优化研究。应力波在同种介质中的传播以自身衰减为主;而在不同介质之间的传播,衰减的主要原因包括了自身的衰减和应力波在不同介质界面的透射。基于此,对应力波在不同介质之间的传播过程进行理论分析。
1.1 应力波在同种介质传播中的衰减作用
应力波在同一种介质中传播时,弹性波的压力峰值随传播距离呈指数衰减,其衰减方程表示为[8]
式(1)中:δ表示该介质的厚度;α表示衰减系数;p表示弹性波进入该介质时的压力峰值;p'表示弹性波传播至δ距离时的压力峰值。
1.2 弹性波在不同介质界面中的透射
假设弹性波从一种介质传播到另一种波阻抗不同的介质,传播方向都是垂直于界面,即正入射。当入射弹性波扰动ΔσI到达界面时,对于两种介质而言,都引起了一个扰动,即分别向两种介质中传播反射波扰动ΔσR和透射波扰动ΔσT。只要这两种介质在界面处始终保持接触,即能承压又能承拉而不分离,则根据连续条件和牛顿第三定律,界面上两侧经反射———透射后的质点速度应相等,应力应相等,为
式中:I、R和T下标分别表示入射波扰动、反射波扰动和透射波扰动的有关各物理量。
由波阵面动量守恒条件有
将公式(3)代入公式(2)可以得到
由式(2)、式(3)、式(4)、式(5)联立解得
式(6)中:
式中:n为两种不同介质的波阻抗比值,T为透射系数,由两种不同介质的波阻抗比值n所确定。由于n反应了不同介质的波阻抗比值,因而n值的不同,会有几种不同的情况出现。
(1)当n→0时,即(ρ0C0)ΙΙ→!,则T=2,就相当于弹性波在固定端的反射。
(2)当n<1时,即(ρ0C0)Ι<(ρ0C0)ΙΙ,则T>1,就相当于透射扰动的应力幅值大于入射扰动的应力幅值,也就是应力波从所谓的“软”材料传入“硬”材料时的情况。
(3)当n=1时,即(ρ0C0)Ι=(ρ0C0)ΙΙ,则T=1,就出现阻抗匹配的现象,即两种任意介质,即使ρ0和C0各不相同,但只要是其波阻抗相同,则弹性波在通过此两种介质的界面时将不产生反射。
(4)当n>1时,即(ρ0C0)Ι>(ρ0C0)ΙΙ,则T<1,就相当于透射扰动的应力幅值小于入射扰动的应力幅值,也就是应力波从所谓的“硬”材料传入“软”材料时的情况,由此也可以理解各种“软”垫可以起减振缓冲的作用。
(5)当时,即(ρ0C0)ΙΙ→0,则T=0,就相当于弹性波在自由表面的反射,不存在透射。
综合考虑应力波在同种介质传播中的衰减和不同介质界面中的透射,当弹性波经过n层不同介质的缓冲结构后,其应力峰值为
式(8)中:下标i表示第i层介质所对应的参数;p0和pf分别表示进入缓冲结构前和离开缓冲结构后的应力峰值;T0→1表示弹性波从外部物体进入缓冲结构第一层介质时的透射率;Tn→else表示弹性波从缓冲结构第n层介质进入其他结构时的透射率。对于缓冲结构,p0一致的前提下,pf越小,则表明该结构的缓冲效果越好。根据公式(8)可以进行参数的优化选择,进而建立较为合理的缓冲结构。但目前常采用的一些缓冲材料往往缺乏较为详细的参数,如各种材料的衰减系数等,因此,一般还需要通过模拟实验对结构的缓冲效果进行判定。
2 模拟实验
2.1 实验样品
在战斗部结构中,对缓冲部分的总厚度具有严格的限制,一般不宜划分过多的缓冲层,否则每层的厚度过低,将会制约整体结构的缓冲效果,因此,多层缓冲结构一般由两至三层缓冲垫组成。目前常用的缓冲材料包括聚碳酸酯、聚四氟乙烯、铝、橡胶等(材料的具体参数列于表1),本研究中设计了三种组合方式将这些材料制作为Φ40 mm×50 mm的缓冲结构,其具体的组合方式如表2所示。其中,夹层式组合中的方案F采用了6 mm厚的粗布,主要是用于模拟弹性较好的多孔性材料。
2.2 实验装置和方法
实验采用大型落锤加载装置为驱动源,实验装置如图1所示。通过自由落体的重锤对装有缓冲结构的实验样弹进行冲击加载,并利用应变式传感器记录经过缓冲结构衰减后的弹性波形。
实验时,落锤重量选择400 kg,传感器最量程应力选择0~1.5 GPa;实验样弹全部为高强度钢材料,套筒内径为40 mm;缓冲结构的直径为40 mm,厚度均为50 mm,缓冲结构的第一层靠近上击柱,其他层依次向下排列;落锤自由下落的高度固定为2 000 mm,以保证了初始加载强度的一致性。
3 结果与讨论
图2为经过不同缓冲结构衰减后,传感器所记录的弹性波形,同时图中还标示出了波形对应的应力峰值。从图2(a)中可以看出,虽然A方案与0造成的。在A方案中,弹性波首先从上击柱传入聚碳酸酯,根据公式(2)及表1中的参数值(上击柱的波阻抗为40.95 MPa·m-1·s-1)可计算出透射率T0→1≈0.083,B方案中,弹性波从上击柱首先传入聚四氟乙烯,则T0→1≈0.075,仅为A方案的0.9倍,而弹性波离开缓冲结构进入下击柱时,A方案中的Tn→else≈1.925,B方案中的Tn→else≈1.917,两者差距较小,因此B方案对于弹性波的衰减效果相对较好。
图2(b)为经过三层式缓冲结构的衰减后的弹性波形,该缓冲结构是将二层式缓冲结构的聚碳酸酯由30 mm改为20 mm,同时增加10 mm厚的铝板。在两种组合方式中,C方案为阻抗顺序列组合,即随着弹性波的传播,所通过缓冲介质的阻抗逐步增大;D方案为阻抗波动序列组合,即弹性波首先传入阻抗较低的介质中,其透射率较小,应力峰值突然下降,随之又进入阻抗较高的介质中,应力峰值迅速上升,最后再进入低阻抗介质。若只考虑弹性波跨越不同介质时的透射系数变化情况,可计算各界面透射系数的乘积C方案中该乘积约为0.210,而D方案中该乘积约为0.059,约为C方案的28%;此外,虽然C和D两个方案所用的介质材料及厚度相同,但进入同一介质时的顺序不同,导致该介质对弹性波衰减的贡献也不同,比如,铝板在C方案中为第三层,而在D方案中为第二层,则C方案中铝板的弹性波强度低于D方案,但铝板的衰减系数是固定的,因此,根据公式(1)可知,铝板在两个方案中所作贡献有所差异。由于各层缓冲介质对于弹性波强度的影响是交替式的,所以整个缓冲结构的综合衰减系数不仅仅取决于一种缓冲介质的性质,根据图2(b)中所列弹性波峰值可知,D方案中,衰减后的弹性波峰值为890 MPa,仅比C方案降低40 MPa,且高于双层式缓冲的B方案。
夹层式缓冲结构也属于一种阻抗波动序列组合的三层式缓冲,但第一层与第三层的缓冲介质相同,E方案的中间层为2 mm的橡胶,增加了缓冲结构的弹性,而F方案的中间层为6 mm厚的粗布,可类比为气孔型材料,这两种方案衰减后的弹性波如图2(c)所示。从图中可以看出,这两种方案对弹性波的衰减效果相近,E和F方案中,衰减后的弹性波峰值分别为868 MPa、886 MPa,均低于C和D方案。
综上所述,A~F六个方案中,双层式缓冲B方案和夹层式缓冲E方案的缓冲效果最佳。在战斗部缓冲结构厚度一定的情况下,弹性波在同一介质中的传播衰减效应和跨越不同介质时的透射衰减效应交替式影响,故缓冲结构设计中,应综合考虑上述因素,可优先选择双层阻抗顺序组合方式。
4 结论
本文选取战斗部常用缓冲材料聚碳酸酯、聚四氟乙烯、铝和橡胶等,设计了双层、三层和夹层式缓冲结构,通过理论分析和模拟试验,得到了以下结论。
(1)双层缓冲结构中,阻抗顺序组合优于阻抗逆序组合,而三层缓冲结构中,阻抗波动序列组合优于顺序组合,添加气孔性材料后的缓冲效果未发生明显变化;综合对比可知,方案B和方案E缓冲效果最佳。
(2)战斗部设计时,在缓冲结构厚度一定的情况下,应综合考虑弹性波在同一介质中的传播衰减效应和跨越不同介质时的透射衰减效应,可优先选择双层阻抗顺序组合方式。
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