冰箱典型材料力学性能及抗跌落冲击研究
发布时间：2020-11-14 04:57
聚合物泡沫材料因具有良好的缓冲、吸能和减振等特性,在家电行业中被广泛地用作包装缓冲材料。其中以发泡聚苯乙烯(EPS)、发泡聚氨酯(EPU)泡沫材料为代表,制作工艺较成熟且成本低,成为研究人员进行包装结构设计与开发的首选材料。研究缓冲包装结构对产品的保护能力其实就是研究包装件在危险载荷环境下的结构动力学响应,特别是包装件在跌落冲击载荷下的特性响应。本文以冰箱跌落冲击为案例,以泡沫包装材料和冰箱结构用的典型材料为研究对象,通过实验、理论和计算的方法深入探讨其材料的力学特性。最后建立冰箱包装件的有限元模型,进行数值计算为包装工程结构设计提供参考。利用万能材料试验机、落锤式冲击试验装置对EPS、EPU泡沫材料进行了准静态和动态压缩实验,探讨了泡沫密度、加载速率对材料动态压缩特性的影响。基于实验数据,考虑了密度相关性,拟合了获得材料恒定应变率下动态本构关系的经验公式,克服了落锤试验法难以获取材料恒定中应变率本构关系的问题,建立了 EPS和EPU中低应变率下压缩动态本构模型。基于LS-DYNA中MAT57、MAT163和ABAQUS中Low Density Foam、Crushable Foam四种材料模型分别建立了 EPS、EPU泡沫材料的分析模型。通过模拟落锤冲击过程,对比试验结果,发现MAT163、Crushable Foam对于预测EPS泡沫材料的冲击响应和能量吸收特性具有较高的精度,Low density foam则能较好地预测EPU材料。同时验证了所建立动态本构模型的可靠性。通过万能材料试验机和液压高速拉伸机,研究了冰箱结构用的塑料材料(HIPS、ABS、GPPS、PP)和金属材料(DX51D、SPCC)在中低应变率下的材料拉伸力学性能。探讨了温度、加载速率对材料力学性能的影响。并获得了材料的力学行为与应变率、温度相关的有效数据,将率效应、塑性参数引入本构方程用于冰箱结构的跌落计算中。最后对冰箱包装件的跌落冲击进行了仿真计算。结果表明泡沫包装能显著减小冰箱结构所承受的冲击力,延长冲击作用时间,增强缓冲和减振效果。底面跌落较棱跌和角跌方式对冰箱结构的危害最严重。结构的应力场分布与所受的冲击力呈正相关关系。随着使用的泡沫包装材料密度的增大,结构所受的冲击力越大。当应用较高密度泡沫时,结构局部出现了塑性变形。针对该结构设计缺陷,本文通过局部优化,改善了应力集中,同时降低了结构的惯性效应,提高了冰箱整体的抗跌落冲击能力。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.4;TB484
【部分图文】：
取３块试样进行测试，结果取平均值。??２．２．２实验结果与分析??图２－２示出了准静态压缩试验前后试样变形情况。对比发现，试验后ＥＰＳ泡沬未出??现横向膨胀现象，横截面积始终保持不变，这与泡沬内部的气孔结构相关。表明ＥＰＳ??泡沫材料的弹性和塑性泊松比均接近零，压缩时材料体积不守恒。卸载后，ＥＰＳ泡沫存??在残余变形。??□??图２－２?ＥＰＳ泡沫试样压縮前Ｊｇ变形对比??为了研宄ＥＰＳ泡沬材料的准静态压缩力学性能，以ＥＰＳ２８为例，准静态下两种不??同应变率压缩的材料应力－应变曲线对比如图２－３。??１１??
力表现出一定程度增大。??为了研究泡沬密度对ＥＰＳ泡沬材料的准静态压缩力学性能的影响，以应变率０．００１ｓ４??为例，３种不同密度的ＥＰＳ泡沫材料的应力应变曲线对比如图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??图２－４?Ａｌ、Ｂｌ、Ｃｌ应力－Ｊｔ变曲线??实验结果表明ＥＰＳ泡沫材料表现出密度相关性。不同密度的泡沫展示了形状相似的??弹性区和乎台区的变形规律。随着密度增大，平台应力水平増大，密实应变值减少。与??应变率相关性不同的是，密度增大材料弹性模量和屈服应力增大明显。可见密度是影响??ＥＰＳ泡沬力学性能的重要囡素。??为了研宄ＥＰＵ３１泡沫材料的准静态压缩力学性能，实验得到材料应力应变曲线如??１２??
?０．８??Ｓｔｒａｉｎ??图２－５Ｄ１、Ｄ２应力－应变曲线??实验结果表明ＥＰＵ泡沬材料与ＥＰＳ泡沫相似，均虽现了三段式变形区域，表现出??了一定程度的应变率敏感性，随着应变率的增大，材料平台区整体应力和致密区应力均??有一定提升。不苘的是ＥＰＵ泡沬材料存在明显的屈服点．，且随着应变率的增大而明显??增大。弹性模量基本不变。值得注意的是，材料在屈服点后出现了一段时间的软化现象，??这在Ｌｉｕ［Ｍ］的论文中被具体研究。??２．３泡沬材料冲击实验??２．３．１实验方法与与工况设置??动态压缩实验在ＩＮＳＴＲＯＮ公司产品ＣＥＡＳＴ?９３５０落锤冲击试验机上进行，如图２－６。??Ｍｌ??｜?丨丨１！??圈■??图２－６落锤式冲击试验装域??１３??
【参考文献】
本文编号：2883105
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.4;TB484
【部分图文】：
取３块试样进行测试，结果取平均值。??２．２．２实验结果与分析??图２－２示出了准静态压缩试验前后试样变形情况。对比发现，试验后ＥＰＳ泡沬未出??现横向膨胀现象，横截面积始终保持不变，这与泡沬内部的气孔结构相关。表明ＥＰＳ??泡沫材料的弹性和塑性泊松比均接近零，压缩时材料体积不守恒。卸载后，ＥＰＳ泡沫存??在残余变形。??□??图２－２?ＥＰＳ泡沫试样压縮前Ｊｇ变形对比??为了研宄ＥＰＳ泡沬材料的准静态压缩力学性能，以ＥＰＳ２８为例，准静态下两种不??同应变率压缩的材料应力－应变曲线对比如图２－３。??１１??
力表现出一定程度增大。??为了研究泡沬密度对ＥＰＳ泡沬材料的准静态压缩力学性能的影响，以应变率０．００１ｓ４??为例，３种不同密度的ＥＰＳ泡沫材料的应力应变曲线对比如图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??图２－４?Ａｌ、Ｂｌ、Ｃｌ应力－Ｊｔ变曲线??实验结果表明ＥＰＳ泡沫材料表现出密度相关性。不同密度的泡沫展示了形状相似的??弹性区和乎台区的变形规律。随着密度增大，平台应力水平増大，密实应变值减少。与??应变率相关性不同的是，密度增大材料弹性模量和屈服应力增大明显。可见密度是影响??ＥＰＳ泡沬力学性能的重要囡素。??为了研宄ＥＰＵ３１泡沫材料的准静态压缩力学性能，实验得到材料应力应变曲线如??１２??
?０．８??Ｓｔｒａｉｎ??图２－５Ｄ１、Ｄ２应力－应变曲线??实验结果表明ＥＰＵ泡沬材料与ＥＰＳ泡沫相似，均虽现了三段式变形区域，表现出??了一定程度的应变率敏感性，随着应变率的增大，材料平台区整体应力和致密区应力均??有一定提升。不苘的是ＥＰＵ泡沬材料存在明显的屈服点．，且随着应变率的增大而明显??增大。弹性模量基本不变。值得注意的是，材料在屈服点后出现了一段时间的软化现象，??这在Ｌｉｕ［Ｍ］的论文中被具体研究。??２．３泡沬材料冲击实验??２．３．１实验方法与与工况设置??动态压缩实验在ＩＮＳＴＲＯＮ公司产品ＣＥＡＳＴ?９３５０落锤冲击试验机上进行，如图２－６。??Ｍｌ??｜?丨丨１！??圈■??图２－６落锤式冲击试验装域??１３??
【参考文献】
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本文编号：2883105
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