纸浆模塑工业包装制品缓冲机理研究及有限元模拟(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:1

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　　3.1有限元方法简介

　　有限元是一种模拟设计载荷条件，并确定在载荷条件下设计响应的方法。基本思想是将连续的求解区域离散为有限的且按一定方式相互连接在一起的单元，利用在每个单元内假设的近似值来分片地表示全部求解区域上待定的未知，从而使一个连续的无限自由度问题变为离散有限自由度问题。通过求出各个单元内场的近似值得到整个求解区域上的近似值。由于单元中未知量个数是有限的，称为有限单元。ANSYS软件是利用有限单元法原理来分析实际问题的一种软件，它是在实施工种之前，先在计算机的虚拟空间建立工种的虚拟，一是用它来预测实际工程的性能，分析各各参数对性能的影响。通过反复调整参数以使工程性能最佳化，在此基础上再来实施实际的工程。它克服了产品在市场化过程中面临的一系列问题，如经验设计、实测手段带来的误差，大大提高了经济效益，减少了研究周期，降低了成本。

　　3.2材料性能测试

　　建模之前，首先应进行材料力学性能测试。表征材料力学特性的经典方法是采用表态或动态应力－应变曲线。本文在参考GB／T12914－1991纸和纸板抗润度测量方法，通过万能材料拉伸实验机得出了纸浆模塑制品材料的应力变曲线。

测试条件为：拉伸速度为10mm/min
测量温度常温20摄氏度，湿度为50％，压力为标准大气压。样条在制品上取料。

　　3.3建立纸浆模塑制品在静压下的有限元模型

　　基本假设：
　　1）材料是各向同性的，同一制品各部分的材料性能相同。
　　2）模型建立在常温、常压下，湿度为45％。不考虑由于温度、湿度和压力的改变对材料性能指标的影响。
　　3）材料为塑性的，其应力应变曲线可由多段直线表示。第一段为弹性斜率为Et，以后各段都为塑性阶段。只要直线目足够多，整个应力应变曲线是可以由直线来近似表示的。
　　4）假设地面和包装箱为刚性的。
　　5）静压力为分布力，大小不随时间变化。
　　强化准则为各向同性强化理论，屈服准则为Von Mises屈服准则。发生屈服时，塑性应变发展的方向垂直于屈服面，遵循相关流动准则。由于在受载时，制品的变形比较大，而且材料变形范围超过了弹性阶段，发生了塑性变形，故模型表现为几何非线性和材料非线性特点。
载荷：大小为80000Pa的均匀分布压力。压力作用表面为a面。
边界条件：底面的所有平动和转动自由度都已被限制住，侧面Y方向的平动自由度也被限制住。

　　4、网格划分：采用壳单元，智能网格划分。

　　1）虽然纸浆模塑制品的厚度均匀，材料各向同性，但各处的应力却偏差很大。
　　2）通过观察云图的应力分布，可以看出，由于制品各处的材料性能相同，这就说明了纸浆模塑制品中的各种缓冲结构在承受载荷过程中起到了非常重要的作用。从而验证了上述的关于纸浆模塑制品缓冲机理的正确，即结构对纸浆模塑制品的缓冲性能起主要作用。
　　3）在基于制品应力应变总体分布认识的前题下，我们可以改进制品的结构，使它各部分的应力趋于均匀。可以试着在应力比较小的地方减少缓冲结构数目，简化结构，在应力大的地方增加缓冲结构数目，从而使制品及模具的设计更加合理。

　　5、结束语

　　本文的分析工作是初步的，模型只考虑了纸浆模塑制品在静载苛下的响应情况，仅依靠这些作为包装设计准则是不够的，还应考虑流通过程中的振动冲击对其性能的影响，因此有必要对纸浆模塑制品进行动力学的分析和模拟，以确定它的动力学性能。另外，还没有考虑温度、湿度等因素对材料性能的影响，也没有考虑被包装物和外包装箱对包装系统的影响问题。尽管如此，利用有限元方法对纸浆模塑工业包装制品进行结构分析必将推动制品和模具设计的技术进步，这对我国纸浆模塑包装工业的发展具有积极的意义。