論文2--紙漿模塑承載結(jié)構(gòu)單元屈曲臨界荷載數(shù)值分析1

1、紙漿模塑制品結(jié)構(gòu)單元承載能力與緩沖性能數(shù)值分析計宏偉1，王和敏2，陳金龍2(1.天津商業(yè)大學(xué)包裝工程系，天津，天津300134；2.天津大學(xué)力學(xué)系，天津，天津300072)摘要：紙漿模塑包裝制品的承載與緩沖功能是通過制品中各結(jié)構(gòu)單元來實現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)單元的形態(tài)和幾何尺寸直接影響整個制品的承載能力和緩沖性能。應(yīng)用ANSYS有限元軟件分析了紙漿模塑結(jié)構(gòu)單元在壓縮載荷作用下的非線性變形特性和屈曲行為，給出了結(jié)構(gòu)單元的臨界載荷，由此確定了結(jié)構(gòu)單元的

2、臨界承載力。與此同時，計算分析了結(jié)構(gòu)單元厚度變化對承載能力和緩沖性能的影響。結(jié)果顯示，隨著結(jié)構(gòu)單元壁厚的增加其承載能力也隨之增加，但緩沖效果變?nèi)?，因此在紙漿模塑緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須平衡兩者，針對不同包裝要求調(diào)整紙漿模塑厚度，設(shè)計出滿足不同承載要求且緩沖性能優(yōu)良的包裝結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：紙漿模塑；結(jié)構(gòu)單元；壓縮屈曲；有限元中圖分類號：TB482.2文獻標(biāo)識碼：ANUMERICALANALYSISFLOADBEARINGCAPACITYCUSHIO

3、NINGPERFMANCEOFSTRUCTURALUNITOFMOLDEDPULPPRODUCTJIHongwei1WANGHemin2CHENJinlong2(1.Dept.ofPackagingEngineeringTianjinCommerceUniversityTianjin300134China2.Dept.ofMechanicsTianjinUniversityTianjin300072China)Abstract:Theo

4、verallloadbearingcapacitycushioningfunctionofamoldedpulppackagingresultfromthoseofstructuralunits.Feachstructuralunititsgeometricalshapedimensionscanbeidentifiedtodeterminetheperfmanceofmoldedpulpproduct.Thecommercialcod

5、eANSYSwasemployedinthepresentstudyduetoitshighperfmanceinnonlinearanalyses.Thenonlinearbucklingbehaviofthestructuralunitcanbestudiedbynumericalsimulationresultinginthebuckingcriticalloadundercompressiontobeusedtoevaluate

6、theloadbearingcapacityofthestructuralunit.Inadditiontotheanalyzingonloadbearingcapacitynumericalsimulationsofthestructuralunitsarecarriedouttoevaluatetheinfluenceofthewallthicknessunderstaticcompressiveloading.Theresearc

7、hshowsthatthewallthicknesssignificantlyinfluencesthebucklingbearingcapacityofthestructuralunitsubjectedtoaxialcompression.Withtheincreaseofwallthicknessthebearingcapacityofthestructuralunitincreaseswhilecushioningperfman

8、cedecreases.Sobothloadbearingcapacitycushioningperfmancemustbecompromisedinthedesignofmoldedpulpcushioningpackagingthewallthicknesscanbeedaccdingtotherequiredpackagingperfmance.Keywds:moldedpulpstructuralunitcompressionb

9、ucklingfiniteelement紙漿模塑是一種立體造紙技術(shù)產(chǎn)品。它以廢舊報紙、廢舊紙箱紙、造紙廠或印刷廠的邊角料等為原料，經(jīng)水力碎漿、配料等工藝調(diào)配成一定濃度的漿料，漿料在特制的具有金屬網(wǎng)的金屬模具上經(jīng)真空吸附成濕坯制品，成型好的濕坯再經(jīng)干燥、熱壓整型而成，得到具有特定的幾何空腔結(jié)構(gòu)的承載紙制品。由于它在環(huán)保、性能和價格等方面的優(yōu)勢，所以紙漿模塑工業(yè)發(fā)展十分迅速，其制品廣泛應(yīng)用于電子、機械零部件、工業(yè)儀表、電工工具、電腦、家電、

10、玻璃、陶瓷和農(nóng)產(chǎn)品的緩沖包裝領(lǐng)域，具有代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)泡聚苯乙烯的趨勢。同時，隨著技術(shù)的進步紙漿模塑的應(yīng)用領(lǐng)域正朝著開發(fā)重載包裝制品的方向發(fā)展，目前已開發(fā)出新型紙漿模塑通用平托盤[1]，其平面規(guī)格尺寸達到1200mm800mm，承載能力達到2700kg，為實現(xiàn)以紙代木包裝增添了新的途徑。紙漿模塑制品的承載功能是通過制品中若干結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)單元來實現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)單元的形態(tài)和幾何尺寸直接影響整個制品的承載能力[2]，研究結(jié)構(gòu)單元的性能，找出結(jié)構(gòu)參數(shù)

11、與單元承載能力的關(guān)系是實現(xiàn)紙塑制品單元化模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)，因此紙漿模塑制品結(jié)構(gòu)單元力學(xué)性能的研究正成為目前研究的熱點之一。一些學(xué)者將整個紙漿模塑制品分割成若干結(jié)構(gòu)單元從而對典型的結(jié)構(gòu)單元進行了實驗研究，從而揭示了結(jié)構(gòu)單元形態(tài)及幾何尺寸對其承載能力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)單元在受壓過程中所表現(xiàn)出的非線性變形特征和壓潰失效現(xiàn)象[3―8]。但實驗研究方法對解決多樣化復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的單元承載能力問題顯得周期長、成本高，所以迫切需要采用有限元方法進行

12、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計。近年來，在紙漿模塑材料性能和本構(gòu)模型的研究方面積累了許多研究收稿日期：基金項目：天津市自然科學(xué)基金重點項目（No.08JCZDJC16100)作者簡介：計宏偉(1964―)，男，遼寧錦州人，教授，博士，主要從事運輸包裝方面的研究(Email:jhwtj@)；王和敏(1981―)，男，湖北人，碩士生，主要從事固體力學(xué)方面的研究(Email:whm805@)；陳金龍(1966―)，男，吉林人，教授，博士，博導(dǎo)，從事固體力

13、學(xué)教學(xué)與科研(Email:jlchen66@tju.).圖4有限元模型Fig.4Amodeloffiniteelement單元側(cè)面剛性板單元底邊0.000.010.020.030.040.050.060.00.51.01.52.02.5應(yīng)力?????MPa應(yīng)變?密度：378.6kgm3圖3紙漿模塑材料的應(yīng)力―應(yīng)變曲線Fig.3Stress―straincurveofmoldedpulpmaterial本文的模擬分析時，泊松比取為0.01

14、[9]，材料本構(gòu)模型按各向同性多段線性模型處理。由圖3采集得到應(yīng)力―應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1所示。表1紙漿模塑材料壓縮時的應(yīng)力―應(yīng)變數(shù)據(jù)表Tab.1Shtspancompressivestress―straindataofmoldedpulpmaterial應(yīng)變ε00.0090.0150.0210.0280.0350.038應(yīng)力σMPa01.0321.4101.6451.9262.0152.096剛性材料的彈性模量取為2.06105MPa，泊松比

15、取為0.3。2.3求解基本假設(shè)和說明（1）材料是各向同性的。（2）不考慮在受載過程中由于溫度和濕度的改變對材料性能的影響。（3）材料的變形發(fā)生在彈塑性范圍內(nèi)。（4）分析計算中所用的等效應(yīng)力屈服準則為VonMises等效應(yīng)力屈服準則。當(dāng)實際應(yīng)力的等效應(yīng)力超過材料屈服應(yīng)力時屈服，屈服后塑性應(yīng)變的發(fā)展方向垂直于屈服面，遵循相關(guān)流動準則，強化準則為各向同性強化準則。（5）在ANSYS中，通過多段直線來近似紙漿模塑材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，其中第

16、一段直線代表材料的彈性變形階段，它的斜率就為材料的初始彈性模量E0，以后各段為壓潰前塑性變形階段，采用5條直線段來近似代替材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，具體應(yīng)力―應(yīng)變數(shù)據(jù)見表1。2.4單元及網(wǎng)格劃分由于剛性板為一個實體，模型采用了帶有中間節(jié)點的95號實體單元，即Solid95單元，并進行映射網(wǎng)格劃分。紙漿模塑制品為典型的薄殼類結(jié)構(gòu)，采用高精度帶有中間節(jié)點的181號殼單元，即Shell181單元，紙漿模塑結(jié)構(gòu)單元的四個側(cè)面和頂面由于形狀規(guī)則采用映

17、射網(wǎng)格劃分。剛性板與結(jié)構(gòu)單元頂面的接觸單元是通過ANSYS中的接觸向?qū)ё詣由伞Ｓ邢拊Ｐ团c網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。2.5屈曲分析及計算結(jié)果有限元模型如圖4所示，由于紙漿模塑結(jié)構(gòu)單元在受壓過程中可能發(fā)生較大的變形，使材料處于塑性變形階段，而且還考慮了結(jié)構(gòu)單元和剛性板之間的接觸行為，故本文模擬的模型包括了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性三個方面。又因為模型為薄壁結(jié)構(gòu)，某些部位（如側(cè)壁）在發(fā)生塑性變形前就已失穩(wěn)，因此本文最終對紙漿模塑結(jié)構(gòu)