（轻工技术与工程专业论文）空气垫基本力学与缓冲性能试验研究.pdf

摘要 摘要 为减少包装废弃物的污染，寻找新的缓冲包装材料和包装技术是当务之急。 作为一种新型有发展前途的缓冲包装材料，即在塑料薄膜中充入压力气体的“空 气垫 ，近年来已开始应用于多种产品的缓冲包装，但目前其承载特性、缓冲机理 等性能的研究目前只是刚刚开始。本课题针对不同规格的塑料空气垫进行准静态 压缩实验，测定分析其承载性能，初步表征其缓冲性能与变形行为，为该类缓冲 材料与结构的应用、产品开发提供技术依据。 基于准静态压缩试验，分析充气压力、结构尺寸、压缩速度对空气垫承载能 力的影响。结果表明，总体上随着充气压力的增大，空气垫承载力有所提高。但 对不同规格试样表现有差异，对小规格空气垫，其充气压力对承载力影响较为显 著，但随着规格尺寸增大，其影响显著性不大；同时发现在压缩量相同的情况下， 空气垫结构尺寸越小，其压缩载荷越大：在低速率压缩条件下，空气垫承载能力 与压缩速度几乎无关。 基于空气垫压缩过程中的结构尺寸与内压变化，建立了空气垫承载力的理论 计算公式，基于空气垫压缩一变形特征，应用缓冲材料正切型模型表征空气垫压 缩变形特征，进行承载力的理论预测与试验结果的分析比较。结果发现理论模型 和试验值在压缩量较小时误差较大；随着压缩变形、空气垫规格尺寸增大，相应 理论模型和试验结果吻合性提高。 通过试验与理论分析，获得了空气垫缓冲系数一压缩应力特征关系，分析相 关参数对其缓冲性能的影响。总体上空气垫材料表现出良好的缓冲性能。当承载 应力较小时，空气垫缓冲系数变化幅度很大，缓冲性能不稳定；而当承载应力到 达一定值时，空气垫表现出稳定的缓冲性能。对应小规格空气垫，随着压缩应力 的增大，其缓冲系数趋于一稳定值；对应大规格空气垫，当充气压力超过某一值 时，充气压力增加，缓冲系数随之增大。即对于大规格的空气垫，需要适当设计 选择空气垫的承载，才能保持其最佳的缓冲性能。 对空气垫缓冲包装设计方法进行初探，指出其缓冲垫设计的基本过程。 关键词：空气垫，承载力，缓冲性能，模型，压缩变形，缓冲包装 a b 8 t r a c t a b s t r a c t f o rr e d u c i n gp o l l u t i o nt 0p a c ko a a l ，i ti se x i g e n tt 0l o o kf o rn e w b u 缗玎p a c k i n g m a t 嘶a l s 锄dp a c k a 百n gt e c h n o l o g y a san e wk i n do f r i s i n gb u f 五e rp a c k i n gm a t e r i a l s ， i e 6 l li nm ep l 硒t i cs h e e t i n go n ”a i r c u s h i o nhw h i c he i l t e r st h eg a so f p r e s s u r c h 嬲 a l r e a d yb e 目mt o 印p l yt om eb u 脓p a c k a 西n go fm 锄yk i n d so fp r o d u c t si nr e c e n t y e a r s ，b u t 也er c s e a r c ho f i t sp 耐o r n l a l l c eo fb e a r i n gm ew e i g h to ft h ec h a r a c t e 瘾；t i c a n db u 行嘶n gm e c h a n i s me t c h a sj u s tj u s tb e g u na tp r e s e n t i l l i ss t l l d yd o e st h eq u a s i s t a t i cc o m p r c s s i n ge x p e d m c n tt o l ep l a s t i ca i rc u s h i o no fd i f f e r e n t s p e c i f i c a t i o n s ， d e t c n n i n e sa n d a n a i y z e sp e 哟r n l a i l c e o fb e 撕n gt h e w e i 曲t ，s i 朗磕e sb u 彘r p e r f o m 锄c ea n db e h a v i o ro u to fs h 印et e n t a t i v e l mo 侬邪m et e c h n o l o 百c a lb a s i sf o r t l l ea p p 】i c a i o no f 锄s1 ( i n dd fb u 疗湃p a c l c i n gm a t 翻a l 锄ds 咖c t u r e ，a n dt h ep r o d u c t d e v d o p m e n t o nt l l eb a s i so f 也eq u a s is t a t i cc o m p r e s s i n gt e s t ，t t 玲s t u d ya n a l y z e st h ee 虢c t0 f t h ep r e s s u r eo fj e i l l i n ga t m o s p h 砸c p h y s i c a ld i m e n s i o n ，t l l es p e e do fc o m p r e s s i n gt 0 m ea i rc u s h i o nb e 撕n gc a p a c 毋o fm ep a c e 1 1 1 er e s u l t i n d i c a t e s ，w i t hf i l l i n gm e i n c r e a l s eo f l e8 n - e n 舀ho f 咖o s p h e r i cp r e s s u r eg e n e r a l l y t h ea i rc u 8 h i o nb e a r sm e w e i g h to fs 细m g t ht 0i m p r o v et os o m ee x t e n t b u ti td i s p l a y sd i 行e r e n c et od i f r e r e n t s p e c i 6 c a t i o n ss 锄n p l e ：t 0m ea i rc u 幽0 no fs m a l ls p e c i 矗c a t i 鸭i ti sc o m p a r a l i v e 】y p r o n l i n tt l l a ti ti n f l u e n c e st h es 仃e n g t ho f b e 撕n gm ew e i g h to fm a ti tf i l l ss 臼饥班ho f a _ t f i l o s p h 撕cp r e s s u r e ，b u ta st h es p e c i 丘c a t i o ns i z ei n c r e a s e s ，i ti n n u e l l c e ss i 趴i 6 c a l l c e n o tt 0b eb i g ；a n dw h 吼c o m p r e s s i n g 锄o u n ti sm es 踟e ，a i rc u s h i o np h y s i c a l d i m s i o ni sl e s s ，i t sc 0 i n p r e s sl o a di sl o u d e r ；w h e l l 1 ec 0 m p r e s s i n gs p e e di sl o w ，t h e a i rc i i s k o n b e 撕n gc a p a c i t yn e a r l yh a sn o t h i n g t od ow i m c o 叫，r e s s i n gm ep a c e o nm eb a s i so ft h ec h a l l g eo fp h y s i c a ld i m e l l s i o na n di n s i d ep r e s s u r ei nt h e c o u r s eo fc o m 妒e s s i n 吕m es t l l d ys e t su pa i rc u s l l i o nb e a rm ew e i g h to ft h e 0 巧o f s t r e n g t hc a l c u l a t cf o m l u l a e o nm eb a l s i so fc o i n p r e s s i o 加d e f o m a t i o 玛e m p l o 如n gt h e t a i l g e n tt y p em o d e lo fp a d d e dc 0 锄i n gt os i 弘i 黟t h ec o m p r e s s i n gd e f o 吼a t i o no fa i r c u s h i o n ，m es t u d yp r e d i c tt h eb e a d n gt h ew e i g h to fs t r c n 舀ha n dc o m p a r e 8w i m 髓a i y s i so fm et e s tr e s u l t ，n l er e s u l ti n d i c a t e sm a tt h ec o m p r e s s i n g 锄o u n ti sl e s si n m e t h e 0 巧m o d e la 1 1 dt e s t i n gv a l u e ，缸1 ee r r o ri sr e l a t i v d y 璺e a t ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e c 0 h l p r e s s i n gd e f b m a t i o na i l dc u s l l i o ns p e c i f i c a t i o ns i z e ，t h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r ) r m o d e l 锄dt e s tr e s u l ta r ei i l l p r o v e di d e n t i c a l l y t h em 屿，g e t sm er e l a t i o no ft h ec u s h i o nb u 胁c o e 伍c i e n to fa i rc u s h i o n sa 1 1 d c o m p r e s s i n gs t r e s s ，a 1 1 da i l a l y z e sm ei n n u e n c eo fr e l e v a n tp a r a m e t e r st 0m eb u 仃e r i n g a b s 仃a c t p e 面肌狮c e g e n e 脚l y m ea i rc u s h j o nm a t e r i a ld c m o n s 仃a t e s9 0 0 d b u 行e r p e r f o n i l 孤c e 、胁e nb c a r i n gt l l ew e i g h to ft l l es 骶s si ss m a l l e r m ec h 锄g e0 f a i r c u 妯o nb u 航r sc o e m c i e n ti sv e 巧g r e a 溉锄db 调苛p e 面姗锄c ei sm 虹b l e ；w h e n m eb c 撕n gm ew e i 咖o f t i l es 骶s si su pt 0c e 蹦n 训u e ，也ea i rc u s h i o nd e m o n s 仃a t e s 鼬l eb u 毹rp e r f o n i l a l l c e c o 玎e s p o n dt 0s m a l ls p e c i f i c a t i o na i rc u s m o i l ，埘n li n c r e 2 l s e t oc o m p r e s s i n gs 骶s s ，“b u 脑c 0 e m c i e n ti sp r o n et 0s 抚l b i e ；c o r r e s p o n dt 0m eb i g s p e c i f i c a t i o na i rc u s m o n ，w h e n “e x c c e d sac e r t a i nv a l u et 0 f i um es n - e n g t l lo f 咖o s p h e r i cp r e s s l l r i n g ，蠡l l s t h es t r e n 啦o fa t m o s p h e r i cp r e s s u r ei n c r e a s e ，b u 仃e r c o e 伍c i e n ti n c r e a s e s 也e r e u p o n 1 1 1 a ti st 0s a y f o rk e e p i n g i t sb e s tb u 毹r 舯渤m a n c e ， i tn e e d sd e s i 伊a p p r o p r i a t eb e 痂l gt h ew e i g h to fa i rc u s l l i o nt 0m eb i gs p e c i f i c a t i o na i r c u s l l i o n n l es t u d yt 叫t 0f i n do u tt l l ed e s i g ni n e m o do f 越rc u s l l i o nu s i n gi nb u 氐rl i n e r s ， a i l dp o i n to u tt ：h eb a s i cc o u r s eo fd e s i g nb u 丘i c rl i i l e r s k 叼啊o r d s ：a i rc u s k o n ，b e a r i n g 也ew e i g h to fs 的n g t h ，b u 鼠fp e r f o n n a n c e ，m o d e l ， c o n l p r e s s i n gd e f o n n a t i o n ，c u s h i o np a c k a g i n g i i l 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，也不包含本人为荻得江南 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：亟鳟日 期：二oo 八年三月十日 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：桦导师签名： 日期： j 锣洲 | 二oo 八卑三月十日 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 所谓缓冲包装材料是指包装物品在流通过程中，因受外力的作用而遭受到冲 击和振动时，能吸收外力产生的能量，以防止产品受损坏而使用的保护包装材料。 近年来，国内外缓冲包装发展很快，主要以泡沫塑料为主，其次有气泡塑料 薄膜、纸衬垫、纸浆模塑制品等。这些缓冲包装材料要么废弃后造成环境污染， 要么其缓冲性能不能完全满足易碎或精密工业产品的缓冲包装要求。因此研究开 发既不污染环境，又具有优良缓冲性能的新型绿色缓冲包装材料成为当务之急。 新型绿色缓冲包装材料的研究丌发符合国家产业政策，也适应国际包装发展 的大趋势，例如，西方大多数发达国家都已制定了各种法规，对非环保包装( 如 泡沫塑料) 产品禁止进口，其国内禁止生产或者以高昂的税收鼓励发展绿色包装。 在我国，尽管尚未在此方面制定类似的法规，但发展绿色包装仍是我国包装发展 的大方向。 在此形势下，新型缓冲包装材料一“空气垫 出现了。在塑料薄膜中充入空 气形成一个个突出的均匀连续的气泡，气泡的形状主要有圆筒形、半圆形和钟罩 形，简称“空气垫 如图1 1 。近年来已逐步推广运用于多种产品的缓冲包装， 其缓冲原理是通过气垫中的空气缓和外界的物理冲击力，并利用封入气泡内的空 气的弹性来吸收冲击能量，使被包装物免遭冲击和振动的损坏，从而达到保护产 品的目的。 1 一气管2 一气室3 一热封楚4 一单向阀5 一充气口 图1 1 空气垫结构 作为一种性能优良的缓冲包装材料，空气垫可以代替大量泡沫塑料、纸屑、 碎木屑、破布等材料，用于各种商品的包装箱、桶、框中。其主要特点为： ( 1 ) 包装简单，尤其用在收音机、随身听之类的小电子产品包装上，只需要 把小商品包扎一下，就可放入纸盒内供销售。 江南人学专业硕十学位论文 ( 2 ) 顾客容易拆歼来选择商品，可重新手工包裹。 ( 3 ) 应用范围广。可用于电子领域、食品行业、文物保护和仪器仪表工业等。 对于电脑、手机等高端电子产品，其运输必须力求平稳，尽量减少振动，这就要 求包装必须具有良好的抗冲击功能：对于食品、文物保护、仪器仪表工业等，必 须保证在长途运输过程中没有破损。空气垫缓冲包装具有良好的弹性、复原性、 温湿度稳定、吸湿性小，应用范围广泛。 ( 4 ) 良好的经济效益和社会效益。空气垫缓冲包装可广泛用于军工、电子、 精密仪器仪表以及易脆产品的包装，避免了产品在储运过程中的损坏，挽回了经 济损失。空气垫缓冲包装，材料便宜，加工设备简单，降低了包装成本，提高了 产品利润，带来了经济效益。 ( 5 ) 良好的环保效益。传统的产品包装在考虑抗震方面，常使用泡沫塑料。 由于泡沫塑料体积大，压缩性能差，且为一次性包装，用完之后即成为废品，不 易于回收。而充气式防震包装所用的材料相对于泡沫塑料用量少，且可以根据不 同产品的要求来设计和使用，使用前和使用后均可排尽气体，有效地减小体积， 运输和使用都十分方便，可以循环、反复、多次使用，废气垫包装膜可以回收再 利用，以利清洁环境，满足了环保要求。 ( 6 ) 良好的质量。从价值几分的食品包装到价格数十万的贵重仪器包装，空 气垫缓冲包装都能满足功能性、可靠性、安全性、适应性、经济性、时问性等要 求。同时，无论是企业还是客户，都能在保证质量的前提下使用便利。它顺应 绿色包装的趋势；它能符合人类可持续发展的要求；是一种很有发展前景的 包装产品。 随着我国科学技术的飞跃发展产品不断更新，包装废弃物回收问题提到了 议事日程，人们在不断寻求新的可回收、耗能少的绿色包装，在此形势下，研究 开发既不污染环境，又具有优良缓冲性能的新型绿色缓冲包装材料成为当务之急。 新型绿色缓冲包装材料的研究开发符合国家产业政策，也适应国际包装发展 的大趋势，例如，西方大多数发达国家都已制定了各种法规，对非环保包装( 如 泡沫塑料) 产品禁止进口，其国内禁止生产或者以高昂的税收鼓励发展绿色包装。 在我国，尽管尚未在此方面制定类似的法规，但发展绿色包装仍是我国包装发展 的大方向。 1 2 国内外的研究现状 早期的气垫缓冲材料为气垫薄膜，它是用聚氯乙烯薄膜高频热压成形，内充 氮气，外形类似小枕头，透明、富有弹性，具有隔音，防震防磨损的性能，广泛用 于电子、仪表、陶瓷、工艺品、家用电器，自车行，厨房、家具和漆品制品、玻 璃制品及精密仪器等抗震性缓冲包装。同时它是目前唯一透明的缓冲材料，因此 2 常用于镝售包装但是浚气铬薄膜易受其删幽气温的影响而髟胀和收缩膨胀将 导箍外包装箱和被包装物的掼上f ：收缩则导致包装内窖物的移动从而使包装失 椽最终引起产品的破损新 i ! 1 氆缓冲材料由具有柔性和弹性的聚氨脂材料与 将通气挑缓冲材料组成克服了气业薄膜的上述缺点同时它还采用多层聚乙 烯薄腆与高强度、耐磨损的尼龙如作为缓冲檀的表面材料延长了其使用寿俞 使之可以回收利用大大减少了包装睃彝物对环境的污染英国研制出的一种气 鹅式包装材料商品名为“a i p c a p ”它是有两层聚乙烯组成其中有一层景乙 烯制成气泡状山于聚乙烯足透气的在气泡的内面加上一层涂层，以防空气流 失。聚乙烯层内充有空气故可作为极好的轻质包装材料这种包装材料用途很 广特别适用于需要气蛰和缺乏填隙辩的包装 在国外气华产品的应用相当广泛它主要解决了人们物科搬运、旋转等难题， 无论物料大小小生2 0 0 k g 的零件大至5 0 m 的物体，郭可以方便地采用气垫产 品进行搬运如英、美等圜主要开发空气鹞，用于昂贵工业的缓冲包装r 本松 下公司已将该缓冲材料用于袖珍d v d 机的包装井将在小型精密仪器和大型家 电的包装中使用如图卜2 所示 + 廖 爹 哟卜2 空气垫的应用示例 i 3 课题研究目的和主要内容 1 3 1 研宽目的 近年束空气毕作为一种新型的缓冲村斟开始运用于多种产陆的缓冲包装。但 空气挚的基本力学性能及其缓冲特性还未见研究报道因此术课题将针对不同规 格的空气氇进行准静态压缩实验测定其缓冲特性与结构稳定性，初步表征其缓 冲性能与变形行为探讨影响缓冲性能的因素为该缓冲材科、结构的应用提供 依据 国 江南大学专业硕十学位论文 1 3 2 研究的主要内容 ( 1 ) 试验研究充气压力、规格、压缩速度等对空气垫承载能力的影响，分析 其主要影响因素。 ( 2 ) 基于空气垫压缩过程中的结构尺寸与内压变化，建立空气垫承载力的理 论计算公式。 ( 3 ) 基于空气垫压缩一变形特征，寻找适合空气垫缓冲材料压缩变形特征的 理论模型，进行理论预测与试验结果的分析比较。 ( 4 ) 基于试验与理论公式，分析空气垫材料的缓冲性能，获得相应的缓冲系 数一压缩应力特征关系；分析相关参数对缓冲性能的影响。 ( 5 ) 对空气垫缓冲包装设计方法进行初探。 4 空气垫承载能力的试验与理论分析 第二章空气垫承载能力的试验与理论分析 2 1 常见缓冲材料的特性 使用缓冲材料的目的，是吸收振动冲击能，缓和传给包装内的产品。除缓冲 特性外，还要求缓冲材料具有以下功能：复原性、可靠性好；对温度、湿度 稳定；无毒、无臭；透气性良好；价格便宜；废弃后容易处理等。根据 压缩试验中得出的应力一应变曲线，对缓冲材料特性分类见表2 一l 。由表可知， 大多数缓冲材料呈非线性特性。 表2 1 常见缓冲材料的应力一应变特性 t 如l e2 1t h es t e s s s 把a i np r o p e n i e so fs o m ec o m m o nc u s l l i o np a d s 缓冲材料 应力应变曲线特性及典型材料 类型 f 1 随着应变的增加，弹簧常数改变化( 螺旋弹 三次函数型弹 | | 簧缓冲包装、刨花、刨花状乙酸纤维素、岩棉、 性材料塑料刨花等) 一 x f 1 随着应变的增加，弹簧常数变大，在压缩 正切型弹性材 极限点为无穷大( 棉花、泡沫橡胶、乳胶海绵、 料碎纸等) 一 x f 在形变允许范围内，应力始终被限制在规 t 厂| | 定的范围内，是一种理想的缓冲材料。( 泡沫塑双曲正切型弹 性材料料、瓦楞纸板和蜂窝板在其受外力作用的初期 一 x 所表现的力学特性) f k 开始为双曲正切线，随着应变的增加，渐 不规则型弹性 j| 渐地减少空距变成正切线( 硬质泡沫塑料，聚乙 材科 厂 烯泡沫塑料和氨基甲酸乙酯泡沫塑料) r x 在进行缓冲包装时，关键是建立合理的缓冲包装系统的动力学模型。实际的缓 5 江南大学专业硕士学位论文 冲包装系统常常是一个复杂的动力学系统，如何抽象出一个简单而又能够满足工 程实用的动力学模型，是一个值得关注的问题。 2 2 空气垫压缩一变形特征与承载能力的理论分析 在包装力学模型中，一般都把缓冲材料视为理想的弹性体，也就是在长时间 反复振动和多次冲击下，它的弹性仍然均匀、无变化。实际缓冲材料的弹性，从 它们的力一变形曲线来看是相当复杂的。 根据准静态试验测定的空气垫压缩一变形特征，空气垫近似于正切型弹性材 料，其压缩力一形变曲线近视呈正切函数型。为此其压缩力f 与形变x 的函数关 系可用下式表示： 一 2 矗七荭x ，= t a n 石 ( 2 - 1 ) 死二口 式中，k 为曲线在x o 时的斜率，称初始弹性系数，n m m ；d 为材料的形变极 限，在x d 时f 一，i 姗。 空气垫压缩前后其受力面积和形变的关系分析如图2 2 。图中实线表示单个 空气垫原始界面形状，虚线表示压缩后的截面形状。 图2 一l 空气垫受压变形截面特征 分析时可认为气室截面的周长不变，并近视压缩后的空气垫两侧任保持为半 圆状，为此得到结构尺寸关系式： 7 r r = 7 盯+ 2 6 ( 2 2a ) 6 = 竿= 等 协2 b ， 式中，t 为气垫原始厚度，m m ，t 为压缩后气垫厚度，m m ，b 为压缩后的气室宽， 6 空气垫承载能力的试验与理论分析 即承载宽度，m m ，x 为压缩变形量，m m 。 压缩时的气挚承载面积为 彳= 比= 半 ( 2 - 3 ) 式中，l 为空气垫气室长，姗。 压缩应力为 f 冬d k戤 。 伊= 石。磊忑a n 万 ( 2 。4 ) 甩彳7 r 2 刀厶2 d 式中，n 为空气垫承载的总气室数量。 压缩应变为 8 = i ( 2 5 ) 巾 7 将( 2 5 ) 式代入( 2 4 ) 式，得应力与应变的函数关系式： 4 材万乃 仃= 丽t 狮百 2 6 ) 丌z 以l 死 2 d 7 同时从图2 1 中可以看出空气垫在受到载荷压缩的时候截面积也是在变化 的，初始截面积& = 艺 ，压缩后截面积s = 等+ 6 f 。截面积的变化必将引 起气室体积的变化，因此我们可以得出相应的气室体积v 与形变x 的关系式： y=ls = 掣 ( 2 l _ 1 ) x + t ( 2 7 ) = 一l 、，- 一i jxtilr 一1 、 根据理想气体的状态方程尸y = 船犬r ，考虑准静态压缩工况。忽略压缩过程中气 垫内空气的温度变化，可以得到气垫气室内压p 随着气室体积v 的变化的关系式： p y = r ( 2 - 8 ) 式中，p o 为气垫内气体初始压力，p 为压缩后气垫内气体压力，v o 为气垫初始 体积，v 为压缩后的气垫体积。 至此，可得出在压缩过程中载荷f 、受力面积a 以及气室内压p 之间存在着 这样的关系： f = 刚 ( 2 9 ) 7 江南人学专业硕十学位论文 2 3 试验材料与方法 2 3 1 试验材料 本课题试验所采用的是一种称为“a i r p a q ”的空气包装材料( 江阴x x 提 供) ，a i r p a q 气体包装袋是由9 9 的空气和1 的胶膜组成，这也是目前国内外 最常用的气垫膜。 试验选取三种规格的空气垫：2 0 1 1 5 、4 0 1 1 5 、6 0 1 1 5 。其中的参数2 0 、4 0 、 6 0 代表空气垫未充气前平铺时的气室宽度( n m l ) ，参数1 1 5 代表空气垫薄膜的厚度 ( 地m ) 。 2 3 2 主要仪器设备 t i r a t e s t 万能材料压缩试验机； 气体压力测定仪； 氮气压力气源 2 3 3 试验设计与方法 ( 1 ) 试验内容包括： a 测定空气垫准静态压缩一变形( f x ) 特征； b 测定空气垫压缩过程的接触面积变化； c 测定分析压缩速度对态压缩一变形( f x ) 特征的影响。 ( 2 ) 试验工况参数的确定 a 充气压强 每种规格空气垫采用三种充气压强。完气完成后测量空气垫相关工况参数， 如表2 2 。 8 空气垫承载能力的试验与理论分析 表2 2 空气垫试验相关参数 气室厚气室长 规格充气压强( k p a ) ( m m ) ( m m ) 6 0 2 0 1 1 59 01 01 6 5 1 2 0 6 0 4 0 1 1 59 0 2 5 1 6 5 1 1 0 3 0 6 0 1 1 54 04 01 6 5 6 0 b 压缩速度分别为2 0 ，5 0 0 ，1 0 0 0 m m m i n 。 ( 3 ) 试验方法 空气垫厚度按g b 厂r4 5 1 3 一1 9 8 9 测定。 压缩试验参考包装用缓冲材料准静态压缩试验方法g b 8 1 6 8 8 7 。加载方式 为固定压头连续加载，控制压缩速度，最大压缩量控制为试样厚度的8 0 。 压缩过程中接触面积测量，考虑到目前没有直接测量材料受力面积的仪器，为 此，在进行空气垫准静态压缩试验时，在空气垫压缩面上涂颜料，并在材料试验机 的上压板下贴有白纸。压缩过程中，测定不同压缩变形下的白纸上颜料所包围的面 积即为试验压缩计算面积。 2 4 结果与分析 2 4 1 压缩过程中空气垫接触面积的变化 压缩过程中接触面积测定结果如表2 3 ，2 4 ，2 5 所示。 9 江南大学专业硕士学位论文 表2 32 0 1 1 5 空气垫受力面积测量结果( 承载气室7 个) 充气压力压缩量单个气垫接触 ( k p a )( m m )宽( m m ) 气室长( m m )接触面积( m m 2 ) 241 3 85 5 2 6 058 41 4 l1 1 8 4 4 81 2 21 4 31 7 4 4 6 251 3 8 56 9 2 5 9 0 59 61 4 3 41 3 7 6 6 4 8 1 3 51 4 61 9 7 l 24 31 3 6 55 8 6 9 5 1 2 0 581 4 2 91 1 4 3 2 81 2 31 4 51 7 8 3 5 表2 44 0 1 1 5 空气垫受力面积测量结果( 承载气室3 个) 充气压力压缩量单个气垫接触 气室长( m m ) 接触面积( m m 2 ) ( k p a )( h n ) 宽( m m ) 51 2 71 3 8 31 7 5 6 4 l l o2 0 31 4 6 4 2 9 7 1 9 2 6 0 1 52 5 2 1 5 3 8 3 8 7 5 7 6 2 02 81 5 54 3 4 0 51 3 21 3 9 51 8 4 1 4 1 02 0 91 4 6 83 0 6 8 1 2 9 0 1 52 6 81 5 34 1 0 0 4 2 02 9 81 5 6 84 6 7 2 6 4 59 61 3 41 2 8 6 4 1 01 9 7 1 4 2 8 2 8 1 3 1 6 1 1 0 1 52 5 51 4 83 7 7 4 2 0 l o 空气垫承载能力的试验与理论分析 表2 56 0 11 5 空气挚受力面积测量结果( 承载气室2 个) 压缩封单个气垫接触 充气压力( 1 ( p a )气室长( m m )接触蕊积( 姗2 ) ( m m ) 宽( m m ) 51 5 81 1 2 31 7 7 4 3 4 l o2 4 51 2 83 1 3 6 1 53 21 3 6 84 3 7 7 6 3 0 2 04 2 51 4 6 86 2 3 9 2 5 4 7 1 5 0 67 0 7 8 2 3 01 5 4 87 6 6 2 6 51 6 41 2 0 31 9 7 2 9 2 1 02 41 2 8 33 0 7 9 2 1 53 2 71 3 5 64 4 3 4 1 2 4 0 2 03 9 31 4 3 65 6 4 3 4 8 2 5 4 3 5 1 4 86 4 3 8 3 0 51 3n 5 51 5 0 1 5 l o2 71 2 3 83 3 4 2 6 1 53 21 3 6 54 3 6 8 6 02 03 8 2 1 3 7 85 2 6 3 9 6 2 54 2 81 4 05 9 9 2 3 0 3 5 2 4 2 准静态压缩下空气垫压缩力一变形特征 基于准静态压缩( 速度2 0 m m 细i n ) ，测定压缩力一变形特征，得出不同规格 空气垫静态力一形变和应力一应变的变化如图2 2 2 2 4 所示 结果表明，总体上随着充气压力的增大，空气垫承载力有所提高。但对不同 规格试样表现有差异，对2 0 一1 1 5 规格，其充气压力对承载力影响较为显著，但 随着规格尺寸增大，其影响显著性不大。 江南人学专业硕士学位论文 u - 挺 霉i 砌 弓 也 稼1 5 0 0 搭 1 咖 5 0 q 0 图2 22 0 一1 1 5 空气垫压缩力一形变关系 051 0 1 52 02 5 形变x ( m m ) 图2 34 0 一1 1 5 空气垫压缩力一形变关系 1 2 空气垫承载能力的试验与理论分析 舍 u _ 拒 辆 图2 46 0 一1 1 5 空气垫压缩力一形变关系 2 4 3 准静态压缩下空气垫压缩应力一应变特征 通过( 2 - 4 ) 式并结合表2 2 ，获得空气垫在不同变形时间的应力一应变试验 结果，见表2 6 2 8 。其相应的分析如图2 5 2 7 所示。 结果表明，总体上看，随着充气压力的增大，不同空气垫承载能力都有所提 高。 表2 62 0 1 1 5 空气垫准静态压缩下的应力应变结果 充气压力时a )f x ( m m ) 应变应力艘a ) 4 6 6 22o 21 2 1 2 6 0 3 7 0 8 85o 54 4 7 l 8 9 1 5 48 o 87 3 0 8 4 5 9 620 29 5 2 9 0 4 7 0 6 45o 54 8 8 0 1 1 4 8 7 58o 88 3 3 4 1 0 8 1 l20 22 6 3 3 1 2 0 5 7 8 9 050 5 7 2 3 l 1 3 1 6 5 880 。81 0 5 。5 4 1 3 江南大学专业硕士学位论文 表2 74 0 1 1 5 空气垫准静态压缩下的应力一应变结果 充气压力( 1 【p a ) f ( n )x ( m n l ) 应变 应力( 1 p a ) 2 0 1 9 25o 23 8 3 5 2 7 6 51 0 o 4 5 9 2 6 0 1 1 9 2 0 21 5o 61 0 2 5 2 6 0 0 4 52 0o 81 7 6 6 2 7 6 2 85o 25 0 6 4 8 81 0o 47 0 5 9 0 1 3 6 2 41 5o 6n o 8 2 7 7 7 32 0o 81 8 5 1 2 6 2 250 26 7 9 l l o 6 1 1 6 7l oo 47 2 5 1 1 3 9 71 5o 61 0 0 7 表2 8 6 0 1 15 空气垫准静态压缩下的应力一应变结果 充气压力( k p a )f x ( m m ) 应变应力( k p a ) 6 9 1 450 1 2 51 9 5 1 8 3 8 l o o 2 52 9 3 4 0 1 1 21 5o 3 7 54 5 8 3 0 7 7 9 0 82 00 56 2 4 1 5 0 4 6 52 5o 6 2 51 0 3 2 8 2 4 53 0o 7 51 8 4 3 9 1 2 44 4o 1 12 3 1 2 2 09 30 2 3 2 53 5 7 4 0 4 4 8 2 71 4 3o 3 5 7 55 0 5 8 3 9 6 31 9 30 4 8 2 57 4 4 1 5 6 7 12 4 3 0 6 0 7 5 1 1 8 6 1 1 9 0 850 1 2 53 9 7 2 6 4 9 4l o0 2 53 9 6 6 0 5 l o 5 91 5o 3 7 55 8 4 9 0 0 1 32 00 58 5 5 1 5 6 5 5 92 5o 6 2 51 3 0 6 1 4 o 1 2 5o 2 5o 3 f 5o 5o 5 2 5o t 5 应变 田2 76 0 一l l5 空气垫压缩应力一应雯盘化 皿一瓣三丽 螗i 0 、1自 踯如o 江南人学专业硬：f ：学位论文 2 4 站构尺寸对空气垫承成能力的影响 分析充气压力对不同规格空气垫性能的髟响选取充气压力都为6 a ”a 时 不同规格空气垫压缩力一形变特征如圈2 8 所示发现在压缩t 相同的情况下 空气挚结构尺寸越小其压缩载荷越大也就是说空气垫的结构尺寸越大它的承 载力也就越强。 田2 8 空气垫规格时压缩力一夥重的影响l 充气压力：6 0 k p 丑 进一步分析不同规格空气垫应力一应变特征如图2 9 所示结果发现 2 0 一l l s 规格空气挚承戴应力最小而4 0 一1 1 5 ，6 0 1 1 5 规格空气垫承载应力差 异性不显著。这意味着实际应用中适当增大空气垫规格对据高其承载能力有 作用。 圜 0 2050 万 蔓 圈2 9 空气垫规格对压绾应力一应走的影响( 克气压力：6 0 t p 如如如加0 空气垫承载能力的试验与理论分析 2 4 5 压缩速度对空气垫承载能力的影响 试验选取6 0 1 1 5 空气垫，内压6 0 k p a ，测定压缩速度为2 0 l i l m m i n 、 5 0 0 m 瑚m i n 、l o o o m m m i n 状态下的压缩力一形变关系，如图2 1 0 所示。 弓 u - 靶 密i 图2 1o 压缩速度对空气垫承载能力的影响 结果发现，三种压缩速度下的力一形变的关系变化差异很小，表明在低速率压缩 条件下，空气垫承载能力与压缩速度几乎无关。 2 5 理论分析与试验结果比较 根据前己建立的空气垫压缩力一变形正切型模型，进行相应压缩量下的模型 参数拟合，得到相应的模型参数值。见表2 9 。 1 7 江南大学专业硕士学位论文 表2 9 空气垫压缩力一变形正切型模型参数值 规格充气压力( k p a )压缩量( m m )形变极限( m m )初始弹性系数( n m m ) 6 081 1 05 8 5 2 0 - 1 1 5 9 081 1 07 6 o 1 2 081 1 o9 3 5 6 02 0 2 4 5 5 1 1 4 0 1 1 59 02 02 5 16 1 3 l l o2 02 6 55 6 5 3 02 53 0 o2 2 5 6 0 一1 1 5 4 0 2 53 0 02 6 0 6 02 5 3 1 5 2 8 4 以内压为6 0 l 【p a 的三种规格的空气垫为例，运用m a t l a b 软件结合( 2 6 ) 式和拟合参数值，进行理论模型与试验值的结果比较，结果如图2 一1 1 2 一1 3 。 图2 1 l2 0 1 1 5 空气垫应力一应变理论模型和实验结果比较 空气垫承载能力的试验与理论分析 图2 1 24 0 一1 1 5 空气垫应力一应变理论模型和实验结果比较 图2 一1 36 0 一1 1 5 空气垫应力一应变理论模型和实验结果比较 分析结果发现理论模型和试验数据在压缩量较小的时误差较大，且都表现为 理论值大于试验值。总体上，随着压缩变形、空气垫规格尺寸增大，相应理论模 型和试验结果吻合性提高。 分析误差原因，我们认为主要是理论压缩面积计算所造成的。理论分析时认 为气室截面的周长不变，并近视压缩后的空气垫两侧仍保持为半圆状。实际中， 当压缩变形较小时，空气垫两侧并非半圆状，其造成计算面积与实际接触面积之 间的误差较大，即利用( 2 2 ) 式求空气垫受力面积时，7 形显然比实际值要大的 1 9 江南大学专业硕士学位论文 多，因而b 必然要变小，从而导致运用( 2 3 ) 式计算空气垫受力面积时的理论值 小于实际值，最终导致理论应力大于试验值。随着压缩变形的增大，其形状将更 接近半圆状，计算误差减小。 另外，由图2 1 2 我们看到2 0 1 1 5 的空气垫在压缩量很大的时候，实验值比 理论值大。同样我们可以从空气垫的受力面积来分析，2 0 - 1 1 5 的空气热是尺寸规 格最小的空气垫，气室宽度很小，在进行静态压缩试验时，是7 个气室同时被压 缩，在压缩量很大的时候，气室与气室之间便会相互挤压，导致空气垫的受力面 积不再增大，因而载荷继续增大时试验应力值将变大，从而大于理论应力值。 2 0 空气垫缓冲性能分析 第三章空气垫缓冲性能分析 3 1 空气垫缓冲性能理论分析 由前面分析可以看出缓冲材料的缓冲特性，也就是力学特性， 变曲线来表征的。在这里引出缓冲效率n 的概念： 珂：墨：旦 l ff t 式中，e 一为缓冲材料在力f 作用下的变形能； t _ 一为缓冲材料原始厚度； 是由其力一形 ( 2 1 0 ) 缓冲效率越大，单位体积缓冲材料吸收的冲击能量就越多，缓冲性能越好。 一般情况下，缓冲材料的缓冲性能用缓冲效率的倒数来表示，称之为缓冲系 数c ： c ：三 ( 2 1 1 ) 通过处理力一形变曲线，结合( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 可以得静态缓冲系数： c = 丢 ( 2 - 1 2 ) r 以 u q 纠 缓冲系数小，缓冲效率越大，缓冲性能越好 3 2 充气压力对空气垫缓冲性能的影响 运用m a t l a b 软件，计算拟合得出三种规格的空气垫在