纸浆模塑缓冲衬垫的结构性能分析与制品设计【精品论文】 .pdf

江南大学 硕士学位论文 纸浆模塑缓冲衬垫的结构性能分析与制品设计 姓名：林冬鸣 申请学位级别：硕士 专业：包装工程 指导教师：张新昌 20080601 摘要 摘要 “纸浆模塑“ 是以一定浓度的纸浆为原料，通过模具成型、干燥整形等工艺制成 的制品。纸浆模塑缓冲衬垫是纸浆模塑制品在缓冲包装中的应用。由于环保性能优越， 缓冲性能良好，纸浆模塑缓冲衬垫主要用于家用电器、电子产品缓冲衬垫等工业产品 的包装。但是，目前纸浆模塑缓冲衬垫的设计缺少理论指导，设计完全凭借经验，导 致设计的缓冲制品出现材料用量过度或者缓冲性能要求不过关致使产品损坏的情况 出现。 本文研究目的，是在研究纸浆模塑缓冲衬垫结构性能的基础上，探讨基于单元结 构性能与模块化设计理念的纸浆模塑缓冲衬垫结构设计方法，主要研究内容如下： ( 1 ) 在纸浆模塑材料及单元结构实际试验的基础上，用a n s y s l s d y n a 有限 元软件进行结构单元静态压缩试验的模拟，主要探讨了静态压缩模拟试验的几何模型 和有限元模型的建立以及影响模拟结果的因素。此外，推导了表征纸浆模塑材料弹黏 塑性的流变模型。 ( 2 ) 通过计算机模拟和试验分析，结合数据分析理论，分别研究了纸浆模塑结 构单元和缓冲衬垫的力学性能及其主要结构影响因素之间的关系，得到了纸浆模塑四 棱台状结构单元和圆台状结构单元最大承载载荷及其结构参数的关系，以及纸浆模塑 缓冲衬垫力学性能及其结构参数的关系。 ( 3 ) 依据纸浆模塑结构单元、缓冲衬垫的研究结论，结合缓冲包装设计理论与 纸浆模塑设计实践，提出模块化设计理念，对纸浆模塑缓冲衬垫的定位结构设计和缓 冲结构设计进行了讨论。 本课题的研究可为纸浆模塑包装产品的结构设计提供一定依据；根据课题研究所 形成的设计规范可用于相关企业产品设计。 关键词：纸浆模塑，缓冲衬垫，结构性能，有限元模拟，设计方法 a b s t r a c t a b s t r a c t m o l d e dp u l pp r o d u c t sa r em a d eo fp a p e rf i b e ro rp l a n tf i b e rb yp u l p i n g ，m o l d i n g ， d r y i n ga n dr e f o r m i n g m o l d e dp u l pc u s h i o ni sa na p p l i c a t i o no fm o l d e dp u l pp r o d u c ti n p a c k a g i n g o w i n gt oi t sg o o de n v i r o n m e n t a la n dc u s h i o n i n gp r o p e r t i e s ，m o l d e dp u l p c u s h i o ni sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp a c k a g i n g ，s u c ha sc o n s u m e rp r o d u c t s a sl a c ko f t h e o r y , m o l d e dp u l pc u s h i o nd e s i g ni sc o m p l e t e l yb a s e do ne x p e r i e n c e s a sar e s u l t ，i ti s c o m m o nt h a tm o l d e dp u l pc u s h i o ni sd e s i g n e db yo v e r - u s i n gm a t e r i a l so rf a i l si nt e s t t h i sp a p e r , w h i c hf o c u s e so nad e s i g nm e t h o do fm o l d e dp u l pc u s h i o nb a s e do n p r o p e r t i e so fm o l d e dp u l ps t r u c t u r eu n i t sa n dm o d u l ed e s i g ni d e a ，m a i n l yi n c l u d e s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nm o l d e dp u l pm a t e r i a la n dm o l d e dp u l ps t r u c t u r e u n i t s ，a n s y s l s d y n ai su s e dt os i m u l a t es t a t i c 。c o m p r e s s i o nt e s to fs t r u c t u r eu n i t s t h e c r e a t i o no fg e o m e t r ym o d e la n df e am o d e li sd i s c u s s e db e s i d e st h ef a c t o r so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，a g e n e r a lr h e o l o g i c a l m o d e lo fn o n l i n e a re l a s t i c v i s c o p l a s t i c i t yw a sd e v e l o p e df o rm o l d e dp u l pm a t e r i a l ( 2 ) ar e s e a r c ho fm o l d e dp u l ps t r u c t u r eu n i t sa n dc u s h i o no nm e c h a n i c sa n d r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r a lf a c t o r si sc a r r i e do u tb ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t a t i c - c o m p r e s s i o nt e s ta n dd a t aa n a l y s i st h e o r y t h er e l a t i o n s h i po fm a x i m u ml o a d i n ga n d s t r u c t u r ed i m e n s i o n so fb o t ht r u n c a t e dc o n eu n i ta n dw e d g eu n i ti sf o u n d b e s i d e s t h e r e l a t i o n s h i po fm o l d e dp u l pc u s h i o np r o p e r t ya n ds t r u c t u r ed i m e n s i o n si sa l s of o u n d ( 3 ) o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nm o l d e dp u l ps t r u c t u r eu n i t sa n dc u s h i o np r o p e r t y , a m o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，w h i c hi n c l u d e sp o s i t i o n i n gs t r u c t u r ea n dc u s h i o n i n gs t r u c t u r e ，i s d e v e l o p e dw i t hp a c k a g i n gc u s h i o nt h e o r ya n dd e s i g ne x p e r i e n c e s t h ea c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e rc o u l db et a k e n 嬲ar e f e r e n c eo fm o l d e dp u l pc u s h i o n d e s i g n a n dt h ed e s i g nm e t h o d so fm o l d e dp u l pc u s h i o nc o u l db ea p p l i e di np r o d u c td e s i g n k e y w o r d s ：m o l d e dp u l p ，c u s h i o n ，s t r u c t u r ep r o p e r t y , f e ms i m u l a t i o n ，d e s i g nm e t h o d s i 王 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：塑睢堡垒 日 期：2 生翌! 笸，厶 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：叠邀导师签名： 坌鱼! 笺! 日 期：7 孑万旷 第一章绪论 第一章绪论 目前，无污染、无公害、可回收利用的“绿色包装”已经成为产品包装的焦点。 在绿色环保大潮的冲击下，各国为了保护和改善自身的生态环境，都明令禁止或者限 用发泡塑料等对环境造成污染的包装材料，取而代之的是环境相容性好的包装材料。 自八十年代以来，一系列绿色包装材料风起云涌，其中纸浆模塑已成为替代e p s 等 泡沫塑料的环保型缓冲材料，是现代包装工业的重要组成部分。并且，纸浆模塑| 三i 代 替e p s 等泡沫塑料作为“九五”和“十五”期间包装改进的重点。 1 1 纸浆模塑制品简介 “纸浆模塑”是以一定浓度的纸浆为原料，加入适量化学助剂，用带滤网的模具， 在压力( 负压或正压) 、时间等条件下，使纸浆脱水、纤维均匀分布在模具表面而形 成具有拟定几何形状与尺寸的湿纸模坯，再经过进一步脱水脱模、干燥整形而成的制 品口】。这类纸制品能1 0 0 回收利用，废弃物可自然降解，同时又具备良好的缓冲 性能，因此近年作为发泡塑料的替代品广泛应用于包装行业。 纸浆模塑缓冲村垫是纸浆模塑制品在缓冲包装中的应用。由于其环保性能优越， 缓冲性能良好，目前纸浆模塑缓冲村垫已经代替发泡塑料主要用于家用电器、电子产 品缓冲衬垫等工业产品的包装。工业产品外型各异，结构复杂，因此对应的纸浆模塑 制品不仅结构形式多样，缓冲性能的要求也较高。近几年来，电子信息产业已成为我 国各工业部门中发展速度最快、产业规模最大、外贸出口最多、效益位居前列的重要 支柱产业，因此纸浆模塑制品作为工业产品的包装已经成为该产业的主要服务目标。 根据功能和适用范围，纸浆模塑缓冲村垫的结构单元可以归为四棱台状、圆台状、 肋状和椅状四类，如图1 1 所示。 謦 a ) 四棱台状b ) 圆台状( c ) 肋状( d ) 椅状 国1 1 常见蛄构单元 f i g u r e1 一lm o l d e dp u ms t r u c t u r a lu n i t s 1 2 纸浆模塑缓冲村垫的发展与应用前景 纸浆模塑工业在一些发达国家已经有8 0 多年的历史。目前，欧美各国纸浆模塑 工业有一定的规模。我国自2 0 世纪8 0 年代开始引进纸浆模塑生产线用于生产蛋托， 之后开始自行研制生产线。1 9 9 5 年铁道部颁布了在全国铁路各站禁止使用发泡塑料 快餐盒的禁令，纸浆模塑工业迎来第一个发展高潮。然而，由于用途狭窄，行业发展 l 江南人学硕士学位论文 遭遇瓶颈。直至步入2 1 世纪，电子信息产业的发展以及绿色包装的兴起，给纸浆模 塑工业的发展带来了契机，纸浆模塑制品凭借其优越的环保和缓冲性能迅速拓宽了应 用领域。 目前，我国已成为世界电子信息产品制造和出口的大国。这几年，电子信息产品 出口额以年均3 0 左右的速度增长。2 0 0 4 年，我国电子信息产品出口额为2 0 0 0 亿美 元，占全国外贸出口总额的三分之一，为世界电子信息产品贸易总额的2 0 。但是， 美国及欧盟对木质托盘、木质包装箱、e p s 发泡塑料等有严格的规定。欧美国家的环 保法规从一定程度上影响到我国电子信息产品的出口。为应对发达国家的“绿色环保 贸易壁垒”，电子信息产品的包装已经改用纸浆模塑等节省资源、保护生态环境、符 合国际包装发展趋势的环保材料。 1 3 本课题研究的重要性及必要性 目前，国内在纸浆模塑缓冲衬垫设计方面仍属起步阶段。国内外的研究主要集中 在制浆、成型设备、工艺和模具结构设计等方面，而对缓冲结构设计理论研究不多。 纸浆模塑行业内尚未有一套完整、可行的纸浆模塑缓冲衬垫设计方法。这导致企业在 设计缓冲衬垫结构时完全凭借经验，缺少理论依据，设计的缓冲制品出现材料用量过 度或者缓冲性能要求不过关致使产品损坏的情况；而且重复性设计较多，设计人员工 作量较大。 本课题来源于北京市印刷包装材料与技术重点实验室的开放研究课题( 项目号： k f 0 6 0 4 0 3 ) ，研究的主要内容与资助课题密切相关。课题的研究目的旨在探讨一套纸 浆模塑缓冲衬垫结构设计方法。这套方法可供纸浆模塑行业作为纸浆模塑缓冲衬垫的 设计依据，优化产品的设计并简化现有的设计过程，提高我国出口产品包装质量。 1 4 课题相关研究现状及存在的主要问题 1 4 1 国内外研究现状 ( 1 ) 纸浆模塑缓冲衬垫性能影响因素的研究 1 9 9 7 年，t s u t o m un o g u e h i 等采用纸浆模塑作为音响的缓冲衬垫，并通过静态压 缩试验和包装件跌落试验，证明了纸浆模塑作为电子产品缓冲包装的可行性【3 1 。 1 9 9 8 年，j o h nf h u n t 研究了纸浆模塑材料性能、原材料来源、纤维长度等因素 之间的关系：通过大量的试验证明了，在制品中，长纤维比短纤维更加容易形成纤维 同面同向的优良结构形式；并给出材料的弹性模量与材料密度的回归方程【4 1 。 2 0 0 0 年，j o h nh o f f m a n n 研究了纸浆模塑结构参数与静态强度、动态强度之间的 关系。通过大量的静态压缩试验和跌落试验，得到了圆台型、四棱台型和肋型三种典 型的纸浆模塑结构单元的静态强度和动态缓冲曲线。并且，通过数据分析得出最大冲 击加速度g 的关系式【5 1 。 2 0 0 1 年，王高升等的研究表明，纸浆模塑缓冲结构单元在静载荷作用下，载荷 变形曲线分为弹性变形、塑性变形及压溃变形3 个阶段；纸浆模塑缓冲结构单元发生 2 第一章绪论 弹性变形的极限载荷和最大载荷比值恒定；缓冲结构单元为a 个的纸浆模塑制品承受 的最大载荷是缓冲结构单元为1 个的纸浆模塑制品承受最大载荷的i 1 倍以上f 6 1 。 2 0 0 2 年，康勇刚等对纸浆模塑包装材料缓冲性能的研究表明，纸浆模塑制品的 缓冲性能与其结构形式、形状尺寸及原料组成密切相关。结构体的形状、侧壁斜度、 厚度和高度等结构参数决定着纸浆模塑结构在包装应用中的抗压能力和缓冲和冲击 与振动的保护性能，纸浆模塑缓冲结构参数的分析方法能够建立起模体结构形状特征 与缓冲包装性能的对应关系，使缓冲包装设计有据可依，纸浆模塑结构缓冲数据库的 建立将为计算机辅助设计与应用奠定基础1 7 j 。 2 0 0 4 年，x m a ，a k s o ha n db w a n g 等利用通用有限元分析软件a b a q u s e x p l i c i t ，基于数值模拟对塔状、圆台状、棱柱状和椅状结构单元建立抗压能力与结 构要素之间的经验关系式。由此建立一个数据库，为不同结构单元的抗压性能提供参 考数据f 8 1 。 2 0 0 5 年，周防国等根据纸浆模塑制品“l “ 形单元结构的静态压缩试验【9 】，证明了 侧壁周长与单元结构最大承载能力之间具有良好的线性相关性，且f = 1 5 5 c 一6 。 2 0 0 6 年，张业鹏、钟毓宁等进行了肋型、桶型和台阶型三种纸浆模塑结构单元 的高度与缓冲性能的有限元仿真研究。研究表明，缓冲高度增加，抗压强度会逐渐的 降低。缓冲结构体缓冲高度超过一定的极限之后，缓冲能力的变化并不明显。当结构 比较稳定时，若受力越接近底部，其承载力越大，即其结构越稳定【l 0 1 。 同年，张业鹏等进行了肋型、桶型和台阶型三种纸浆模塑结构单元的斜度与缓冲 性能的有限元仿真研究。研究表明，肋型单元斜度在1 1 0 。间变化时，最大静压力变 化不大，并且4 6 。达到最大值；当斜度大于1 0 。时，最大静压力明显变d , t 1 1 j 。 田羽等测试了纸浆模塑衬垫中常用的两种结构单元的静态载荷，并用数理统计方 法，分析了衬垫多个结构单元静态载荷与单元个数的关系【l2 1 ，得出了多个结构单元 静态载荷的线性回归方程三= 9 2 5 9 + 1 4 0 8 5 4 , 和l = 8 3 4 9 + 8 8 0 6 7 行。 ( 2 ) 纸浆模塑缓冲衬垫的设计 1 9 9 4 年，康勇刚等提出纸浆模塑制品的结构形式决定于包装的产品，在设计上 必须满足：模体与内装物有一定的接触面积；支撑或受力部位有一定的强度；结构体 在受力变形后要有一定的弹性恢复能力；模体要保证所需的整体刚性。并提出一个合 理的缓冲衬垫必须有相应的抗压能力、应有的弹性恢复能力、对外部冲击与振动能量 的吸收、有足够的强度以及符合生产工艺要求的模体成型工艺【l 3 1 。 2 0 0 1 年，王高升等依据试验得到的两个结论弹性变形极限载荷与最大载荷 比值恒定以及缓冲结构单元为1 1 个的纸浆模塑制品承受的最大压力是缓冲结构单元 为1 个的纸浆模塑制品承受最大压力的n 倍，提出纸浆模塑制品的缓冲结构设计流程： 首先根据产品大小，利用单元结构参数与承受载荷之间关系得出单元间距；然后计算 出长度、宽度方向上缓冲结构单元的个数；最后，根据产品形状和固定要求，确定纸 浆模塑制品的具体结构【6 j 。 3 江南大学硕士学位论文 2 0 0 4 年，金国斌等在发表的文章中提出通过选择轴对称的几何形状单元、减小 拔模斜度、增加单元个数等方式提高抗压能力和缓冲性能。在纸浆模塑缓冲衬垫的结 构设计中，应该结合产品以及产品流通环境等相关资料进行设计；尺寸上宜留有可调 节余地，注意结构设计的最大允许偏差；设计结束后宜对整个包装系统进行与实际流 通环境相当的条件下进行测试【l 4 1 。 2 0 0 6 年，潘梦洁等通过对h pp a v i l i o n 系列主机纸浆模塑包装的设计，提出缓冲 衬垫的设计流程：选用单元结构类型、设计单元结构参数、计算单元结构排列数量和 工艺性结构优化设计【1 5 】。 同年，杨斌等提出纸浆模塑的结构设计必须满足定位要求、强度要求及缓冲性能 要求【1 6 】。 ( 3 ) 纸浆模塑缓冲衬垫的有限元模拟 2 0 0 2 年，聂磊、钟毓宁等介绍了一种基于有限元的缓冲包装结构可靠性分析方 法，利用a n s y s 软件对缓冲包装结构进行计算机模拟试验分析，以求低成本、高效 率地对缓冲包装结构可靠性进行评价【1 7 】。 同年，曹世普等建立了纸浆模塑制品单个结构凸台有限元几何模型，并用a n s y s 模拟了不同几何参数下单个凸台的力学性能以及凸台个数和相对位置等因素对制品 力学性能的影响，最后提出了表征制品力学性能的几个结构参数：制品厚度，凸台单 位长度载荷，凸台横截面形状【1 8 】。 2 0 0 3 年，s p g u r a v 等在采用d v d 包装的纸浆模塑肋型单元行试验的基础上， 利用f e m 分析方法对肋型单元结构参数进行了优化，并用m s c m a r c m e n t a t 模 拟了不同厚度椅状单元的应力应变关系【1 9 】。 2 0 0 4 年，x m a ，a k s o h 的研究将结构单元模型简化，列出了制品厚度、拔模 斜角、制品高度和倒角半径四个结构参数，并用a b a q u s 模拟了四个参数与承载能 力之间的关系【8 】。 2 0 0 6 年，王章苹等利用有限元软件a n s y s 对肋型单元结构进行了静态压缩试验 仿真【2 0 】。 1 4 2 存在的主要问题 目前，国内外研究主要存在以下几个问题。 ( 1 ) 纸浆模塑制品对产品的保护作用主要是依靠结构单元实现，所以结构设计 是制品缓冲包装设计的要点。目前的研究主要集中在纸浆模塑典型单元单个结构参数 与单元静态力学性能关系的定性研究上，尚未有定量的研究。 ( 2 ) 在研究不同排列形式的同种结构、不同结构单元的搭配组合等影响因素与 纸浆模塑缓冲衬垫的力学性能之间的关系方面比较少。而事实上，纸浆模塑缓冲衬垫 是由若干的单元所构成的一个整体，整体关系也是纸浆模塑缓冲衬垫设计的重要研究 内容之一。 4 第一章绪论 ( 3 ) 目前，多数人关于纸浆模塑设计方法的相关研究只是粗略地指出简单的设 计流程。并且，提出的设计方法是基于单元的结构参数与单元力学性能的定性关系， 这对于纸浆模塑缓冲衬垫的设计是不够的。所以，到目前为止，制品的结构设计还采 用经验设计法，缺乏系统的、科学的、规范的设计方法。 ( 4 ) 计算机有限元分析与模拟只提出了典型单元结构的模拟方法，尚未涉及模 拟影响因素、模拟精确度的研究。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题通过计算机模拟试验和数据分析，结合缓冲包装理论、有限元理论和相关 力学理论，研究纸浆模塑结构单元和缓冲衬垫的力学性能，主要包括结构单元最大承 载载荷与厚度、高度、上底面承载周长、拔模斜度、倒圆角等结构参数关系，以及结 构单元个数、单元间距等与纸浆模塑缓冲衬垫力学性能的关系；在此基础上探寻纸浆 模塑缓冲衬垫结构设计方法。课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 结构单元静态压缩试验的计算机模拟及影响因素 在纸浆模塑材料及单元结构实际试验的基础上，用p r o e 软件建立纸浆模塑结构 单元模型，并用a n s y s l s d y n a 软件进行静态压缩模拟试验。主要探讨了静态压 缩模拟试验的几何模型和有限元模型的建立以及影响模拟结果的因素，并把模拟结果 和实际试验结果进行了对比。此外，推导了表征纸浆模塑材料弹黏塑性的流变模型。 ( 2 ) 纸浆模塑缓冲衬垫的力学性能及其结构影响因素 通过计算机模拟和试验分析，结合缓冲包装设计理论和数据分析理论，分别研究 了纸浆模塑结构单元、缓冲衬垫的力学性能及其主要结构影响因素之间的关系。首先， 阐述了纸浆模塑缓冲衬垫的缓冲机理；总结和归纳了目前使用的纸浆模塑材料和结构 单元类型；在正交试验和数据分析的基础上，研究了纸浆模塑结构单元最大承载载荷 及其结构参数的关系，以及适合纸浆模塑缓冲衬垫的评价指标；最后，在结构单元研 究的基础上，对纸浆模塑缓冲衬垫力学性能及其结构参数的关系进行了研究。 ( 3 ) 纸浆模塑缓冲衬垫设计方法 依据纸浆模塑结构单元、缓冲衬垫的研究结论，结合缓冲包装设计理论与纸浆模 塑设计实践，提出设计模块化的设计理念，对纸浆模塑缓冲衬垫的定位结构设计和缓 冲结构设计进行讨论。 5 江南大学硕士学位论文 第二章结构单元静态压缩试验的计算机模拟 用计算机模拟静态压缩试验是本文研究的基础，模拟精确度的控制直接关系到模 拟结果的准确性。针对模拟精确度的问题，本章主要探讨了静态压缩模拟试验的几何 模型和有限元模型的建立，以及影响模拟结果的因素。 2 1 有限元法及a n s y s 软件简介 2 1 1 有限元法简介 在科学技术领域，对于许多力学问题和物理问题，可以得到它的基本方程和相应 的定解条件，但能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单，且求解区域 几何形状相当规则的问题，因此人们发展了一种新的求解途径数值解法。 已经发展的数值分析方法可分为两大类，一种以有限差分法为代表，其特点是将 求解域划分为网格，在网格的节点上用差分方程近似微分方程。随着节点的增多，求 解精度可以得到改进。但用于几何形状复杂的问题时，它的精度将降低，甚至发生困 难。另一种方法是首先建立与原问题基本方程及相应定解条件相等效的积分提法，然 后据之建立近似解法如配点法，最小二分法等属于这一类数值方法。由于它是在整个 求解区域上假设近似函数，因此对几何形状复杂的问题不大可能建立合乎要求的近似 函数【2 1 1 。 有限单元法的出现是数值分析方法研究领域内重大突破性的进展。它是一种模拟 设计载荷条件，并且确定在载荷条件下的响应的方法。其基本思想是将连续的求解区 域离散为一组有限个数的、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体，来模型化 几何形状复杂的求解域，利用在每个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上 待定的未知函数。单元内的近似函数由未知场函数及其导数在单元的各个节点的数据 和插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数及其导数在各 个节点上的数值就成为新的未知量( 即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变 为离散的有限自由度问题。一经求出这些未知量，就可以通过插值函数计算单元内场 函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似值。随着单元数目的增加，解的近似程 度将不断改进。由于单元中未知量个数是有限的，因此称为有限单元。 有限单元法基本思想是c o u r a n t 在1 9 4 3 年提出的，他第一次尝试应用定义在三 角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合来求解s t v a n s a n t 扭转问题。但 直到1 9 6 0 年以后，随着计算机的出现，有限单元法的实际应用才得到了飞速的发展。 现代有限元法第一个成功的尝试是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这是 t u m o rc l o u g h 等人在分析飞机结构时于1 9 6 5 年得到的成果【2 2 】。三十多年来，有限单 元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展 到稳定问题、动力问题和波动问题。分析材料由弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑 性和复合材料等，从固态力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程 分析中的作用已从分析和校验扩展到优化设计并和计算机辅助技术相结合。 6 第二章结构单元静态压缩试验的计算机模拟及影响因素 2 1 2a n s y s l s d y n a 软件简介 a n s y s 软件是一个通用有限元仿真分析软件，分析领域主要包括结构分析、热 分析、流体分析、电磁场分析和耦合场分析1 2 引。l s d y n a 是世界上最著名的通用显 式非线性有限元分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解准静态 分析( 其中包括复杂的非线性效应和接触条件) 和各种二维、三维非线性结构的碰撞、 金属成型等非线性动力冲击问题1 4 引。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件 包，与试验的无数次对比证实了其计算的可靠性。1 9 9 6 年与a n s y s 公司合作，用 a n s y s 作为l s d y n a 的前后处理。 l s d y n a 是功能齐全的几何非线性( 大位移、大转动和大应变) 、材料非线性 ( 1 4 0 多种材料动态模型) 和接触非线性( 5 0 多种) 软件。它以l a g r a n g e 算法为主， 兼有a l e 和e u l e r 算法；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能( 如动力分析 前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算) ；以显式求解为主，兼有隐式求解功 能【2 4 j ；动力显式算法是递推计算，无需迭代，就时间步长直接进行递推计算，计算 时间随单元数量呈线性增长，计算时间短，而且可以通过质量缩放来缩短计算时间， 所以对于大规模计算和高度非线性问题，动力显式算法总体效率要比静力隐式算法高， 优势明显。 l 定义单元类型 定义实常数和材料属性 0 建立几何模型 划分网格 ，j 一一一一一一一一一一 | 定义约束、载荷等 模型检查及存储 设置求解选项 执行求解 二二二_ 二7 二- 二_ 二 查看分析结果 0 分析处理并评估结果 图2 1a n s y s 有限元分析流程 f i g u r e2 1 f l o wo f a n s y sa n a l y s i s 7 江南大学硕士学位论立 利用a n s y s 软件进行有限元分析一般包括三个主要步骤：前处理、求解和后处 理。前处理部分包括创建几何模型和划分网格，求解部分包括施加载荷和计算求解， 后处理包括结果评价和检查结果的正确性。基本分析过程如图2 1 。 本文使用l s p k e p o s t 软件进行有限元分析的后处理。l s p r e p o s t 是专门针 对l s - d y n a 开发的前后处理软件，如图2 - 2 所示。 囤2 - 2 l s p r e p o s t 界面 f i g u r e2 * 2w i n d o wo f l s p r e p o s t 二 e 三1 三 叵 焉鬯l s 裂d a 豢i 蔡 田2 - 3l s - p r e p o s t 支持的文件读取和蛄果精出格式 f i g u r e 2 - 3 i of o e m a ts u p p o r t n db y l s - p r e p o s t 8 嘲 襟 卞怒卞曼由 第二章结构单几静态压缩试验的计算机模拟及影响因素 与a n s y s 的后处理相比，l s p r e p o s t 有如下优点【2 5 】： ( 1 ) 支持所有的l s d y n a 关键词； ( 2 ) 可视化的l s d y n a 模型的创建和修改； ( 3 ) 支持多种格式的文件读取和结果输出，其中包括本文使用的a s c i i 格式的 结果文件，如图2 3 所示。 2 2 纸浆模塑材料的弹黏塑性模型 材料属性的定义对于有限元模拟尤为重要，其直接影响模拟的准确性。但是，目 前国内外少有纸浆模塑材料性能的理论研究【1 】【2 】，而纸浆模塑材料的力学模型是研究 纸浆模塑制品性能的基础，也是进行纸浆模塑制品有限元分析的必要条件。下面对纸 浆模塑的材料模型进行研究。 2 2 1 试验材料及方法 ( 1 ) 试验材料 试验材料来源于苏州爱绿纸塑有限公司生产的纸浆模塑制品，按照原料配比不同 分以下两种：试验材料一的原料是5 0 瓦楞纸混合5 0 的废报纸，试验材料二的原 料是1 0 0 纯瓦楞纸。两种试样制取的形状都为矩形，每种材料均取5 个试样。受纸 浆模塑制品规格的限制，试样1 和试样2 规格分别为5 0 m m 1 5 m m 和5 0 r a m 2 0 m m ， 厚度平均值分别为1 5 8 71 1 3 1 1 1 、2 2 1 3i i l l n ，紧度分别为0 2 5 9g c m 3 、0 2 2 6g c m 3 。 ( 2 ) 试验仪器 准静态等速拉伸试验使用的设备是英国l l o y d 公司l r xp l u s 材料试验机，该 试验系统能对试验曲线特征转换点进行自动判断并画出曲线切线。试样厚度测量仪器 为厚度测量仪，精度为o 0 1 m m 。此外，试验还用到的仪器有恒温恒湿箱。 ( 3 ) 试验方法 目前，由于国内外尚未有关于纸浆模塑材料的测试方法及标准，因此试验主要参 考标准纸和纸板抗张强度的测定方法( 恒速拉伸法) ( g b t1 2 9 1 4 9 1 ) 。 试样在湿度5 0 2 、温度2 3 1 的恒温恒湿箱内预处理了2 4 小时以上。 试验时，试验室环境条件为湿度5 2 、温度2 2 5 。c ；材料试验机使用上下两个固定 夹具，试样夹持长度均为1 0 m m ，拉伸速度为1 0 m m s 。测量试样厚度选择了试样中 间位置为测量点。 2 2 2 纸浆模塑材料的力学模型建立 ( 1 ) 纸浆模塑材料的拉伸变形特征及分析 对两种材质纸浆模塑材料分别进行了准静态等速拉伸试验，经数据处理后( 见节 2 2 3 ) 得到两种纸浆模塑材料的应力一应变曲线，如图2 - 4 所示。从图中可以看出， 纸浆模塑材料在拉伸过程经历三个变形阶段：初始弹性阶段、黏塑性阶段和断裂破坏 阶段【1 8 】【2 6 1 。 9 江南大学硕士学位论文 当应力小于屈服极限瓯时，应力c r 和应变占呈线性关系，此阶段属于纸浆模塑材 料的初始弹性阶段。随着应力仃继续增加并超过屈服极限吼时，应变s 的增量逐渐大 于应力盯的增量，曲线斜率逐渐变小，应力盯和应变s 呈明显的非线性关系。应力仃 介于吼和c r y 的阶段是纸浆模塑材料的黏塑性变形阶段。当应力盯超过强度极限c r y 后， 应力o - 急剧减小，曲线斜率急剧增大，纸浆模塑材料进入断裂破坏阶段。 唾 3 。5 ，、 3 霎2 5 - g 2 塌- r l ； 0 5 o 3 5 3 名2 5 a 乏 2 县1 5 扭1 0 5 0 00 t0 10 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 00 0 10 0 20 0 30 0 40 0 5 0 0 60 0 70 0 8 应变p 应交 ( a ) 5 0 瓦楞纸混合5 0 的废报纸( b ) 1 0 0 纯瓦楞纸 图2 4 纸浆模塑材料应力一应变曲线 f i g u r e2 - 4 s t r e s s - s t r a i nc u r v e so fm o l d e dp u l pm a t e r i a l ( 2 ) 纸浆模塑材料力学模型的建立 由以上分析可知，纸浆模塑材料的黏性效应在弹性阶段可忽略，仅在塑性变形过 程才比较明显，所以纸浆模塑材料为弹黏塑性材料【2 6 】。在初始弹性阶段，可用1 个 线性弹簧单元构成的模型i 来表征纸浆模塑材料的弹性变