运输包装第二章ppt课件

1、第二章第二章 包装力学与流变学根本包装力学与流变学根本概念概念第一节第一节 包装力学概念包装力学概念 一、力和加速度一、力和加速度 1.G1.G因子的导入：因子的导入： G G因子因子: :表示加速度与重力加速度的倍数。表示加速度与重力加速度的倍数。 G G因子还表示合外力因子还表示合外力F F为重力为重力W W的倍数，所以，在的倍数，所以，在包装动力学中谈到加速度时往往用包装动力学中谈到加速度时往往用G G表示。表示。 2.2.脆值易损度：产品所能接受的最大加速度脆值易损度：产品所能接受的最大加速度GcGc. . 3.3.最大加速度：最大加速度：GmGm。 为了保证产品不发生破损，必需满足：

2、为了保证产品不发生破损，必需满足： Gm Gc Gm GcFaGFGWWgFmaWmg二、力的时间效应：二、力的时间效应：1.1.冲击的过程及波形：冲击的过程及波形：1 1冲击波形：冲击波形：矩形波：矩形波： 半正弦波：半正弦波：正矢波：正矢波：三角形波：三角形波：1sin()mGGttmGG21sin()mGGtt11212122()2()2mmttttGttGttttGtt t1 t1 t2t2tGmG2 2冲击的过程可以分为两个阶段冲击的过程可以分为两个阶段变形阶段：物体的动能变形阶段：物体的动能 max 0 max 0，变形能，变形能0 max0 max，以以S1S1表示此阶段的冲量，

3、有表示此阶段的冲量，有0-(-mv)0-(-mv)S1S1；恢复阶段：物体的弹性逐渐恢复，动能恢复阶段：物体的弹性逐渐恢复，动能0 max 0 max ，以以S2S2表示此阶段的冲量，有表示此阶段的冲量，有mu-0mu-0S2 S2 ；整个冲击过程中的冲量变化：整个冲击过程中的冲量变化：12()mumvmumvSS 恢复系数恢复系数定义：定义： 恢复系数阐明冲击后速度恢复的程恢复系数阐明冲击后速度恢复的程度，也阐明了物体变形的程度，普度，也阐明了物体变形的程度，普通通e0.30.5当两物体的资料确当两物体的资料确定时，它们相互冲击的定时，它们相互冲击的e也是不变也是不变的的e的测定：将待测资料

4、制成小球和的测定：将待测资料制成小球和质量很大的平板，然后将平板程度质量很大的平板，然后将平板程度固定，小球从离平板高度为固定，小球从离平板高度为h1处自处自在落下，与程度固定板冲击后回弹，在落下，与程度固定板冲击后回弹，回弹最大高度回弹最大高度h2。 于是于是uev01e221122ghhuevhgh恢复系数恢复系数 根据根据e e的大小，冲击可以分为三类：的大小，冲击可以分为三类： 0 0e e 1 1 ， 弹性冲击，物体受冲击后有剩余弹性冲击，物体受冲击后有剩余变形，动能有损失；变形，动能有损失； e e1 1，完全弹性冲击，受冲击后，变形完全恢，完全弹性冲击，受冲击后，变形完全恢复，动

5、能无损失理想形状；复，动能无损失理想形状； e e0 0，非弹性冲击塑性冲击，冲击终了时，非弹性冲击塑性冲击，冲击终了时，物体变形完全没有恢复，动能全部损失。极限物体变形完全没有恢复，动能全部损失。极限情况情况 3 3冲量定理：冲量定理： 定义：力定义：力F F在在t1t1到到t2t2的时间间隔内的累计效应的时间间隔内的累计效应称为力称为力F F在此时间间隔内的冲量在此时间间隔内的冲量S. S. 冲量定理：冲量定理： 速度变化量：速度变化量： 大小等于加速度曲线在大小等于加速度曲线在t t下的阴影面积下的阴影面积 4 4影响影响V V的要素：的要素： t t 波形加速度峰值波形加速度峰值ama

6、m或或GmGm12ttsFdt1221ttsFdtmvmv 1221ttvvvadt 5 5不同波形的不同波形的V V的计算：的计算： 矩形波：矩形波： 半正弦波：半正弦波： 三角形波：三角形波： 6 6影响产品破损的要素：影响产品破损的要素： 冲击加速度的大小冲击加速度的大小amam或或GmGm； V V； 脉冲继续时间；波形。脉冲继续时间；波形。221122mmmmmmvatG g tvatG g tvatG g t三、力的位移效应三、力的位移效应 1.1.功：功： 1 1重力的功：重力的功： 自在落体时，终速自在落体时，终速 2 2弹性力的功：弹性力的功： 弹性力：弹性力：F=KF=K

7、其中其中K K为弹性系数，为弹性系数，为变形量为变形量 K K确实定通常由实验确定确实定通常由实验确定 弹簧棒：弹簧棒：K KEA/L(LEA/L(L为棒长度，为棒长度，E E为弹性模量，为弹性模量，A A为为棒的横截面积棒的横截面积) )12ttWFdS2Vgh2htgWmgh 螺旋弹簧：螺旋弹簧： (D(D为弹簧直径，为弹簧直径，d d为钢丝直径，为钢丝直径，n n为有效圈数，为有效圈数，G G为金属资料的剪切弹性模量为金属资料的剪切弹性模量) ) 弹性力的功：弹性力的功： 当初始变形大于末了变形时，功为正，反之为负；当初始变形大于末了变形时，功为正，反之为负；功的大小与运动途径无关，仅取

8、决于运动的始末功的大小与运动途径无关，仅取决于运动的始末位置。位置。 2.2.势能：机械能守恒定律：当质点仅受有权利势能：机械能守恒定律：当质点仅受有权利作用时，其动能和势能之和不变作用时，其动能和势能之和不变 设分量为设分量为W W的物体支撑于某弹性资料时，承载面的物体支撑于某弹性资料时，承载面积为积为A,A,资料的弹性系数为资料的弹性系数为K.K.438GdKnD12()2kW 2212 1 1缓慢加载缓慢加载 W W缓慢释放，即在外力坚持下，重力由零至全部缓缓慢释放，即在外力坚持下，重力由零至全部缓慢加到弹性资料上，要求形变速度不大于慢加到弹性资料上，要求形变速度不大于1313/S/S

9、开场：重力势能弹性势能开场：重力势能弹性势能0 0 终了：重力势能终了：重力势能Ws Ws ；弹性势能；弹性势能 外力作功：外力作功： ( (该外力保证缓慢加载，必需随坐该外力保证缓慢加载，必需随坐标而变化，构成有权利，其势能当为标而变化，构成有权利，其势能当为 ) )其中其中ss为完全释放时弹性资料的变形。为完全释放时弹性资料的变形。 机械能守恒：机械能守恒： 近似以为静态力。近似以为静态力。122sk12W212Ws211022WWkWssssk 2 2W W忽然释放加载构成中除动力、弹力外无忽然释放加载构成中除动力、弹力外无其他外力作用，设弹性资料的最大变形量为其他外力作用，设弹性资料的

10、最大变形量为mm初始和终了位置的速度皆为初始和终了位置的速度皆为0 0，即动能为，即动能为0 0， 初始时：重力势能、弹性势能为初始时：重力势能、弹性势能为0 0， 终了时：重力势能为终了时：重力势能为Wm,Wm,弹性势能弹性势能 机械能守恒：机械能守恒： 阐明：忽然加载呵斥的变形为静变形的阐明：忽然加载呵斥的变形为静变形的2 2倍倍 3 3W W由由h h高度跌落到弹性资料上高度跌落到弹性资料上 开场：开场： 动能动能 势能势能0 0 终了：终了：V=0,V=0,动能动能=0,=0,势能势能 122mk10222WkW2mmsmk2vgh212mvmghWh12W2mmk 机械能守恒：机械能

11、守恒： 2 23434 当当h=0h=0时，时， 包装件跌落时，包装件跌落时， 此式可由此式可由2 23434略去重力势能直接得到略去重力势能直接得到 最大弹性力：最大弹性力： 最大加速度：最大加速度： 阐明：包装件跌落时产生的最大加速度是跌落时弹性资料阐明：包装件跌落时产生的最大加速度是跌落时弹性资料产生的最大变形量与缓慢释放后弹性资料的变形之比。产生的最大变形量与缓慢释放后弹性资料的变形之比。 在实践系统中，总有能量损失，此处只是近似在实践系统中，总有能量损失，此处只是近似22122222021WWWW hhhkkh2mmmmmsmmsssk解 （ 1：）ms2222hWhkhkWmsss

12、h所以2222mmmmmhWPkkhWkkPhWkhkGWWWGGmmsms 四、应力与应变四、应力与应变 1.静应力与动应力：静应力与动应力： 1静应力：当一个常力均匀作用于某一厚度的资料上，承静应力：当一个常力均匀作用于某一厚度的资料上，承载面积设为载面积设为A，单位面积上接受的力，称为应力，静应力在作，单位面积上接受的力，称为应力，静应力在作用期间不随时间变化。用期间不随时间变化。 2.动应力：由于物体的运动形状改动而呵斥的应力，最大应力动应力：由于物体的运动形状改动而呵斥的应力，最大应力用用 表示，称为动应力。表示，称为动应力。 例例:分量为分量为W的物体跌落到弹性资料上，速度变为的物

13、体跌落到弹性资料上，速度变为0，某瞬时，某瞬时(发生最大变形时发生最大变形时)有最大加速度有最大加速度Gm，那么最大作用力为：，那么最大作用力为：WAsd1(1)20(1)mmmmmmmmmGFG WWGWGFG WGFGGAdssdds当时：动应力：而动应力与静应力之比称为动k载系数： G G因子的又一物理意义：跌落时产生的最大加速度近似等因子的又一物理意义：跌落时产生的最大加速度近似等于动载系数。于动载系数。 2.2.应变：应变： x/tx/t 应力与应变：在小的变形范围内，满足虎克定律：应力与应变：在小的变形范围内，满足虎克定律： / /E E弹性模量常量弹性模量常量 E E与与k k之

14、间的关系弹簧棒之间的关系弹簧棒 泊松比泊松比横向应变横向应变/ /纵向应变纵向应变 资料受纵向拉伸时，在发生纵向伸缩的同时，在横向发资料受纵向拉伸时，在发生纵向伸缩的同时，在横向发生相反的变形，在弹性范围内，横向应变与纵向应变大生相反的变形，在弹性范围内，横向应变与纵向应变大小之比为一常数，它的大小因资料而异，称为该资料的小之比为一常数，它的大小因资料而异，称为该资料的泊松比。泊松比。 对于各向同性资料对于各向同性资料0.250.25，金属资料，金属资料50.35，一切资料一切资料0.50.5。/F AFlEx lxEAklA 3.3.应变能应变能e e：单位体积资料在变

15、形过程中：单位体积资料在变形过程中所吸收的能量。所吸收的能量。e e是资料的属性，与资料尺是资料的属性，与资料尺寸、外形无关寸、外形无关 F Fx x曲线曲线 曲线该曲线下的面积表曲线该曲线下的面积表征该资料的征该资料的e e 当资料均匀受力变形，将全部外力所作的功吸当资料均匀受力变形，将全部外力所作的功吸收时：收时：eV=WeV=W 其中其中V V是资料体积，是资料体积，e e为应变能为应变能,W,W为外力作的功。为外力作的功。WFdxed 第二节第二节 包装流变学概念包装流变学概念 流变学是在虎克的弹性实际和牛顿的黏性实际的根底上开流变学是在虎克的弹性实际和牛顿的黏性实际的根底上开展起来的

16、，是关于形变与流动的科学，按流变学观念，缓展起来的，是关于形变与流动的科学，按流变学观念，缓冲资料称为黏、塑、弹性物质，即可以假定由弹性、黏性、冲资料称为黏、塑、弹性物质，即可以假定由弹性、黏性、塑性三要素所构成的物质。塑性三要素所构成的物质。 一、弹性一、弹性 1.1.定义：缓冲资料在力的作用下发生变形，当去掉外力时定义：缓冲资料在力的作用下发生变形，当去掉外力时能恢复原有形状，这种性质称为弹性。能恢复原有形状，这种性质称为弹性。 外力作用下物体内部产生阻止变形、力图恢复原有形状外力作用下物体内部产生阻止变形、力图恢复原有形状的力内部应力，而去掉外力时，随形状的恢复，其内的力内部应力，而去掉

17、外力时，随形状的恢复，其内部应力也随之消逝，这种内部应力就是弹性力恢复力部应力也随之消逝，这种内部应力就是弹性力恢复力 2.2.弹性极限：去掉外力时，资料能完全恢复原有形状的应弹性极限：去掉外力时，资料能完全恢复原有形状的应变极限。在弹性极限内，应力与应变成线型关系变极限。在弹性极限内，应力与应变成线型关系 线性 3.缓冲资料分类 非线性：分段线性、三次函数形、正切 形、双曲正切形、不规那么性 a线性资料：F=kx (b)分段线性 F Fx k弹性极限较宽的资料弹性极限较宽的资料k1x (xxs)k1x (xxs)k2x-(k2-k1)xs (xxs)k2x-(k2-k1)xs (xxs)Fx

18、xsk1k2由于资料的构造和组合呵斥的由于资料的构造和组合呵斥的 (c)(c)三次函数形三次函数形 d d正切形正切形30Fk xxFx0 0K0K0为初始弹性系数，为初始弹性系数，为弹性系为弹性系数添加率悬挂包装的组合弹簧数添加率悬挂包装的组合弹簧02tan2bbk d dyxFdxdFxdbk0(K0(K0为初始弹性系数，为初始弹性系数，dbdb为形变极为形变极限线性资料在静态压实形状下的限线性资料在静态压实形状下的情况情况000tanhk xFFF(d)(d)双曲正切形双曲正切形K0K0为初始弹性系数，为初始弹性系数， F0 F0为力的极为力的极限值，限值，x x 时，时，F F0)F

19、F0)弹性资料弹性资料较小的资料在较大范围内的典型表现较小的资料在较大范围内的典型表现Fxk0F0(f)(f)不规那么形不规那么形Fx 4.4.弹性评价：工程上，对不同资料的弹性评价有多种方弹性评价：工程上，对不同资料的弹性评价有多种方法，留意其适用条件法，留意其适用条件 1 1非线性资料的特性：非线性资料的特性： 各点斜率不同，各点斜率不同，E E弹性模量和弹性模量和k k弹性系数也不同弹性系数也不同 初始弹性模量和初始弹性系数初始弹性模量和初始弹性系数 2 2条件弹性模量对于金属、石块、混凝土等，在弹性条件弹性模量对于金属、石块、混凝土等，在弹性极限内运用，完全可按线性弹性对待，其切线斜率

20、为常量，极限内运用，完全可按线性弹性对待，其切线斜率为常量，亦称为正切模量亦称为正切模量 3 3当当 曲线呈非线性时，常用正割模量替代正切曲线呈非线性时，常用正割模量替代正切模量：对工程塑料，以模量：对工程塑料，以0.010.01时的弦线斜率时的弦线斜率E E替代该点的替代该点的切线斜率：切线斜率：aadEdaxdFkdx00dEd00 xdFkdxE20.010.0110.010.01100.01E (4)(4)弹性变形率：弹性变形率： 对于纤维和纤维资料设原长对于纤维和纤维资料设原长l0l0的试料上施加载重，伸的试料上施加载重，伸长到长到l1l1，去掉载荷后长度变为，去掉载荷后长度变为l2

21、l2那么弹性变形率为：那么弹性变形率为： 随载重下的随载重下的l1l1而变化，通常以而变化，通常以F F0.6FB0.6FB为规范，而为规范，而为使其破断的载重，拉伸强度为：为使其破断的载重，拉伸强度为： 对于常用缓冲资料，弹性率为：对于常用缓冲资料，弹性率为： 5 5弹性效率：弹性效率： 对于常用缓冲资料，弹性效率为：对于常用缓冲资料，弹性效率为：120100%lllBBFA01100%()llll为破断前的全长100%ARRHACBEDHR 其中其中R R为卸载过程曲线为卸载过程曲线CDECDE下的阴影面积，下的阴影面积，H H为加载过程曲线为加载过程曲线ABCABC与卸载过程曲线与卸载过

22、程曲线CDECDE之间的面积，之间的面积，H H相当于单位体积资料相当于单位体积资料发生塑性变形耗费的能量。发生塑性变形耗费的能量。 对于纤维资料为了使之真正拉直，需求加一适当初始载对于纤维资料为了使之真正拉直，需求加一适当初始载荷，所以卸载后要保管这个初始载荷荷，所以卸载后要保管这个初始载荷 设卸载过程中应变恢复量为设卸载过程中应变恢复量为2211，是加载时的应是加载时的应变，变，11是卸载到初始载荷的应变，是卸载到初始载荷的应变， 2 2称为回复应变。称为回复应变。 不同载荷点不同载荷点 不同，求得相应得回复应变，直到破断不同，求得相应得回复应变，直到破断点，画出点，画出曲线加载过程直到破

23、断点。有两条曲线曲线加载过程直到破断点。有两条曲线和和22，那么，那么22曲线下得面积相当于功曲线下得面积相当于功ArAr，而而曲线下面积相当于破断功曲线下面积相当于破断功Ab (Ab (图图2 27)7)100%rAbAA 6 6组合资料得弹性：采用黑箱模型，将力作为输入，组合资料得弹性：采用黑箱模型，将力作为输入，变形作为输出等效弹性系数：变形作为输出等效弹性系数： 等效弹性模量：等效弹性模量： 二、塑性塑性发生在弹性极限与强度极限之间二、塑性塑性发生在弹性极限与强度极限之间 1.1.定义：固体在其弹性极限内对外力有弹性表现，但超定义：固体在其弹性极限内对外力有弹性表现，但超越一定界限就会

24、发生流动，呵斥永久变形或破坏，该景越一定界限就会发生流动，呵斥永久变形或破坏，该景象与液体流动不同，称此性质为塑性。象与液体流动不同，称此性质为塑性。 2.2.适用场所：仅发生一次大的冲击的场所例：飞机空适用场所：仅发生一次大的冲击的场所例：飞机空投物品，可利用大外力下的塑性变形来吸收能量，到投物品，可利用大外力下的塑性变形来吸收能量，到达维护物品的目的。达维护物品的目的。 3.3.压溃型缓冲资料利用塑性来缓冲的缓冲资料：积压溃型缓冲资料利用塑性来缓冲的缓冲资料：积层式瓦楞纸板、木丝、聚苯乙烯泡沫体等。层式瓦楞纸板、木丝、聚苯乙烯泡沫体等。/ekFx/eE 三、黏性阻尼三、黏性阻尼 1.1.定

25、义：指物体受力作用时，与其速度有关的阻力。定义：指物体受力作用时，与其速度有关的阻力。 实践缓冲资料的黏性阻力是资料本身妨碍变形的一实践缓冲资料的黏性阻力是资料本身妨碍变形的一种阻力，由内部摩擦和内部构造外形引起的。例：发种阻力，由内部摩擦和内部构造外形引起的。例：发泡塑料泡塑料 2.2.阻尼阻尼 分类：分类： 3.3.缓冲资料都具有黏性和弹性，所以能缓冲，也能隔缓冲资料都具有黏性和弹性，所以能缓冲，也能隔振，而且黏性能减缓资料的蠕变。振，而且黏性能减缓资料的蠕变。黏性阻尼即线性阻尼：阻力与速度成正比黏性阻尼即线性阻尼：阻力与速度成正比动力学阻尼：阻力与速度平方成正比动力学阻尼：阻力与速度平方

26、成正比构造阻尼例：金属等资料内摩擦引起的构造阻尼例：金属等资料内摩擦引起的固体摩擦阻尼：固体摩擦阻尼：工程上设法把工程上设法把它们都等效为它们都等效为黏性阻尼黏性阻尼 四、蠕变：四、蠕变： 1.1.定义：坚持一定的静压形状下，变形随时间而进展的景象。定义：坚持一定的静压形状下，变形随时间而进展的景象。 2.2.蠕变对缓冲包装设计的影响：缓冲包装件在保管期间，其蠕变对缓冲包装设计的影响：缓冲包装件在保管期间，其变形进展着，因此蠕变前后，即使由同一高度跌落，物品遭变形进展着，因此蠕变前后，即使由同一高度跌落，物品遭到的冲击加速度也不同，对于蠕变量大的缓冲资料，缓冲衬到的冲击加速度也不同，对于蠕变量大的缓冲资料，缓冲衬垫和包装箱之间能够会出现比较大的间隙，容易发生垫和包装箱之间能够会出现比较大的间隙，容易发生“二次二次冲击，因此在缓冲设计时，要思索缓冲资料的蠕变特性。冲击，因此在缓冲设计时，要思索缓冲资料的蠕变特性。 3.3.机理：机理： 晶体资料：由于应力作用微晶转移或沿晶面滑移，产生蠕变。晶体资料：由于应力作用微晶转移或沿晶面滑移，产生蠕变。 非晶体：由于应力作用使处于冻结形状下的大分子链段或其非晶体：由于应力作用使处于冻结形状下的大分子链段或其部分力图做些小的运动，以便消除其应力，从一个链段上消部分力图做些小的运动，以便消除其应力，从一个链段上消除的应力被加到另