緩沖材料及設(shè)計(jì)課件

1、一、線彈性材料 F=kx二、正切型彈性材料三、雙曲正切型彈性材料四、三次函數(shù)型彈性材料四、緩沖材料與緩沖防振包裝設(shè)計(jì)4.1緩沖材料力學(xué)與理化性質(zhì) xFo特性復(fù)原性緩沖性能密度塵埃度腐蝕性吸水性含水量防霉性耐候性柔軟性成型性粘合性使用范圍可燃性EPE好優(yōu)小無無無無良良良良良寬易燃EPS稍差優(yōu)小很小無無無良良稍差優(yōu)良窄易燃PU好優(yōu)小無無無微良良優(yōu)優(yōu)良寬易燃EVA好優(yōu)小有無無無良良優(yōu)良良寬易燃XPE/IXPE好優(yōu)小無無無無良良優(yōu)良良寬易燃瓦楞紙板差稍差一般稍有無大有不良良不良不可優(yōu)寬易燃紙漿模一般差大稍有無大有不良良差優(yōu)良寬易燃皺紋紙墊差不良一般大量無大有不良良不良不可良寬易燃化纖絲稍差良小有無無無

2、良良優(yōu)稍窄易燃金屬?gòu)椈蔁o不良大無無無無良良差不可不可寬不燃橡膠無優(yōu)大無稍有大有不良不良優(yōu)良良窄易燃薄膜氣墊稍差良最小無無無無良良優(yōu)不良良寬易燃薄膜懸掛稍差優(yōu)極小無無無無良良優(yōu)良良寬易燃4.2 緩沖材料的緩沖系數(shù)設(shè)緩沖材料的原始厚度為 h，其產(chǎn)生的變形能為每個(gè)單位厚度緩沖材料吸收的能量為定義緩沖效率為：?jiǎn)挝缓穸染彌_材料吸收的能量與作用力的比值，用表示定義：緩沖效率的倒數(shù)就是緩沖系數(shù)，用C表示。1、靜態(tài)緩沖系數(shù)通過靜態(tài)試驗(yàn)法得出的緩沖系數(shù)靜應(yīng)力曲線。將力形變曲線轉(zhuǎn)變成應(yīng)力應(yīng)變曲線，計(jì)算緩沖材料的形變能 E設(shè)，e為單位體積緩沖材料的形變能，所以緩沖系數(shù)為例：已知密度為0.012g/cm3的緩沖材料由

3、萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試出的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖所示，試?yán)L制這種材料的靜態(tài)緩沖系數(shù)曲線。解：一般我們用表格法來解題(%)(MPa)e(J/cm3)C0000.10.060.003200.20.130.1210.40.30.170.0276.180.40.20.0434.65頂點(diǎn)0.930.950.2354.03根據(jù)上表數(shù)據(jù)，可以繪制出Cm曲線、C曲線、Ce曲線。2、動(dòng)態(tài)緩沖系數(shù)通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法得出的緩沖系數(shù)最大動(dòng)應(yīng)力曲線。設(shè)沖擊高度為H，緩沖材料的厚度為h，面積為A，試驗(yàn)重錘重量為W，可得到緩沖材料的靜應(yīng)力為經(jīng)過測(cè)試，不同的重錘重量可測(cè)得不同的最大沖擊加速度值Gm，由此可以繪制出緩沖材料的最大沖擊加速

4、度靜應(yīng)力曲線（Gmst曲線）重復(fù)上述步驟，在沖擊高度H和面積A不變的情況下 ，改變緩沖材料的厚度h，這樣每改變一次厚度h，都可以得到一條Gmst曲線。同樣，在緩沖材料的厚度h和面積A不變的情況下 ，改變沖擊高度H ，也可以得到一族Gmst曲線。曲線1：h=2.25cm 曲線2：h=4.5cm 曲線3：h=6.75cm曲線4：h=9.0cm 曲線5：h=11.25cm 曲線6：h=13.5cm當(dāng)緩沖材料達(dá)到最大應(yīng)變m時(shí)，重錘W在高度H所具有的勢(shì)能等于緩沖材料的形變能，即因此，由Gm-st曲線可以得出C和m值，從而繪出動(dòng)態(tài)緩沖系數(shù)最大動(dòng)應(yīng)力曲線（Cm曲線）。動(dòng)態(tài)緩沖系數(shù)例：將密度為0.035g/c

5、m3的某種緩沖材料制成10cm10cm10cm的試件，在落錘沖擊機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，各次試驗(yàn)的跌落高度均為60cm，各次試驗(yàn)的重錘質(zhì)量及測(cè)得最大加速度列于下表，試?yán)L制這種材料的動(dòng)態(tài)Cm曲線。解：W（kg）（m/s2）m（MPa）C1.0656.50.06611.171.3588.00.07610.002.0441.00.0887.503.0323.40.0975.505.0245.00.1234.1730441.01.3237.50根據(jù)上表就可繪制出Cm曲線。4.3 緩沖與防振設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的包裝體系可以將產(chǎn)品和包裝收到的沖擊的傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)脈沖寬度和低加速度幅值的響應(yīng)；包裝和產(chǎn)品必須保證在運(yùn)輸過程中的

6、任何時(shí)候不高于設(shè)計(jì)的落下高度跌落；同時(shí)，產(chǎn)品受到的沖擊傳遞必須低于產(chǎn)品的脆值風(fēng)險(xiǎn)值。1、緩沖設(shè)計(jì)2、緩沖包裝的形式全面緩沖包裝法是指包裝容器內(nèi)所剩的空間全部用緩沖材料填空。局部緩沖包裝法是對(duì)產(chǎn)品的拐角、棱及側(cè)面進(jìn)行襯墊緩沖的方法。懸浮緩沖包裝法是用彈簧把產(chǎn)品懸吊在包裝容器內(nèi)。3、緩沖材料的選擇與襯墊用量設(shè)計(jì)在靜態(tài)Cm曲線中找出相應(yīng)的m值。由得到面積在動(dòng)態(tài)Gmst曲線中找出相應(yīng)的st值。因此，厚度 因此，在已知緩沖材料的靜態(tài)Cm曲線和動(dòng)態(tài)Gmst曲線中的任一條的情況下，再結(jié)合產(chǎn)品的重量、脆值、等效跌落高度，就可以進(jìn)行緩沖襯墊的計(jì)算。利用靜態(tài)Cm曲線例：把一重力為100N，脆值為30的產(chǎn)品裝入箱內(nèi)

7、，用襯墊將它與包裝箱隔開，包裝箱內(nèi)部每面面積為2000cm2，設(shè)定等效跌落高度為60cm，試選擇適當(dāng)?shù)木彌_材料進(jìn)行全面緩沖 ，并計(jì)算其尺寸最大靜應(yīng)力。單位為105Pa解：已知W = 100N，G = 30g，H = 60cm采用全面緩沖方式，有A = 2000cm2，則查表知，當(dāng) 時(shí)，材料（密度為0.012的泡沫橡膠）有最小緩沖系數(shù)，且C = 3.5故緩沖墊厚度為利用動(dòng)態(tài)Gmst曲線例：某產(chǎn)品重量為150N，脆值為55，允許的跌落高度為60cm，產(chǎn)品為邊長(zhǎng)為25cm的正方體。擬采用下圖所示緩沖材料，試求襯墊應(yīng)有的厚度。解：采用全面緩沖方式，有A = 625 cm2，則靜應(yīng)力為根據(jù)等效跌落高度，

8、在Gmst曲線上找出與st相對(duì)應(yīng)的G值，查表可得出緩沖材料的厚度在h = 4和h = 5之間。用比例插入法可求得h = 4.9cm。4、防振包裝設(shè)計(jì)不論使用何種運(yùn)輸工具，振動(dòng)是必不可少的考慮對(duì)象。包裝設(shè)計(jì)的目的是要讓整個(gè)包裝體系成為一個(gè)振動(dòng)的“物理濾波器，理想狀態(tài)下，所設(shè)計(jì)的包裝體系將可以盡量過濾掉對(duì)產(chǎn)品有害的振動(dòng)頻率和幅值。保證這些的起碼要求，是要將包裝體系自身的一階諧振頻率設(shè)計(jì)成至少是產(chǎn)品最低（破損）主頻的1.5倍。防振包裝設(shè)計(jì)步驟1、根據(jù)產(chǎn)品的重量W(N)和緩沖面積A(cm2)，計(jì)算緩沖材料所受的靜應(yīng)力W/A104(Pa )。2、通過試驗(yàn)或近似計(jì)算確定包裝系統(tǒng)的等效為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的傳

9、遞率Tr值。3、確定流通過程中包裝件在激振頻率為fn時(shí)的最大振動(dòng)加速度an。4、計(jì)算產(chǎn)品處于共振狀態(tài)下的最大響應(yīng)加速度am=Tran，如果此值大于許用脆值，應(yīng)重新設(shè)計(jì)緩沖包裝。5、當(dāng)工作點(diǎn)位于放大區(qū)內(nèi)時(shí)，還應(yīng)校核交變應(yīng)力是否會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵件疲勞損壞，如果不滿足要求，也需重新設(shè)計(jì)。例：產(chǎn)品重力W = 36N，低面面積A = 2525cm2，許用脆值G = 30。沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)采用全面緩沖方法，選用的緩沖襯墊厚度T = 5cm。產(chǎn)品在運(yùn)輸中受到的振動(dòng)輸入如圖所示，求包裝件的共振頻率和產(chǎn)品的最大響應(yīng)加速度。解：由于緩沖材料的厚度為 5cm，在左圖中查出曲線峰值的頻率為 f = 46Hz，傳遞率Tr= 6.

10、因此包裝件的共振頻率為46Hz。由右圖可知，f = 46Hz時(shí)的加速度值為G = 1.7g則產(chǎn)品的最大響應(yīng)加速度為產(chǎn)品的許用脆值G = 30，大于產(chǎn)品的最大響應(yīng)加速度。故產(chǎn)品安全一般只要緩沖滿足設(shè)計(jì)要求，5、緩沖防振包裝設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵 充分了解和分析物流環(huán)境的影響 實(shí)際環(huán)境研究 設(shè)定包裝設(shè)計(jì)的技術(shù)、性能目標(biāo) 設(shè)定包裝體系的試驗(yàn)規(guī)范和過程 將設(shè)定為“正常環(huán)境”和“非正常環(huán)境”的因素區(qū)分開來 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品對(duì)環(huán)境有害因素的抵抗能力 沖擊因素 振動(dòng)因素 發(fā)現(xiàn)針對(duì)于產(chǎn)品部件的致命傷害 主機(jī)振動(dòng)水平 輔助部件振動(dòng)水平 改善產(chǎn)品脆值的機(jī)會(huì)和方法 充分利用測(cè)試得到的數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品加以改造 設(shè)計(jì)產(chǎn)品/包裝體系包裝設(shè)計(jì)

11、關(guān)注環(huán)境因素的干擾 確認(rèn)包裝材料性能參數(shù) 關(guān)注產(chǎn)品本身的脆值風(fēng)險(xiǎn)值需在設(shè)計(jì)考慮中 運(yùn)輸過程跟蹤和監(jiān)視 是否產(chǎn)品的運(yùn)輸過程有所改變? 運(yùn)輸過程中破損責(zé)任認(rèn)定對(duì)同一批次，同期發(fā)貨，同樣運(yùn) 輸工具的過程控制4.4 常見緩沖材料及襯墊結(jié)構(gòu)1、泡沫塑料PU現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡2、瓦楞紙板緩沖結(jié)構(gòu)襯墊瓦楞紙板具有環(huán)保，易裁切、模切、粘合，成本低，與瓦楞紙箱好協(xié)調(diào)，使用范圍比泡沫塑料寬等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是表面較硬，對(duì)某些產(chǎn)品表面有磨損，難形成三維曲面，濕度影響較大，過載復(fù)原性較差，多次跌落后緩沖性能會(huì)下降1/3左右。3、蜂窩紙板(a)4、懸掛式高彈塑料薄膜結(jié)構(gòu)懸掛式緩沖包裝用高強(qiáng)度、高彈性、高韌性、低滑動(dòng)塑料薄膜，粘結(jié)在瓦楞紙板框架上