搜索跌落碰撞的虛擬仿真分析
2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
現(xiàn)有蜂窩紙制芯設(shè)備簡(jiǎn)陋,導(dǎo)致在生產(chǎn)蜂窩紙芯過程中出現(xiàn)不規(guī)則六邊形紙芯結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象,運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)分析了不規(guī)則蜂窩紙的跌落碰拴過程。首先在三維軟件中建立了幾種相同周長(zhǎng)但不同膠邊值的蜂窩紙模型,導(dǎo)入有限元軟件MSC.Patran/Nastran設(shè)置相應(yīng)的蜂窩紙材料參數(shù),并運(yùn)用模態(tài)分析技術(shù)生成蜂窩紙柔性體文件,在動(dòng)力仿真軟件MSC.ada。實(shí)現(xiàn)剛體和柔性體結(jié)合的動(dòng)態(tài)緩沖分析,最后得到相應(yīng)的分析結(jié)果有助于分析不規(guī)則蜂窩紙的緩沖能力。
0引言
沖擊是產(chǎn)品運(yùn)輸過程及倉(cāng)儲(chǔ)中經(jīng)常遇到的一種現(xiàn)象,如人工搬運(yùn)及裝卸中出現(xiàn)的包裝件跌落,起吊貨物從高處落下,野蠻裝卸時(shí)將貨物拋擲,運(yùn)輸車輛的起動(dòng)和剎車、飛機(jī)的著陸等都會(huì)產(chǎn)生沖擊嘆因此在可能出現(xiàn)的條件下選擇具有一定緩沖能力且環(huán)保的包裝材料來保證產(chǎn)品的運(yùn)輸安全變得非常重要。蜂窩紙板具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、韌性與回彈性好等特點(diǎn),是一種環(huán)保型緩沖材料,它大量應(yīng)用于建筑行業(yè)、包裝運(yùn)輸業(yè)、殯葬業(yè)、農(nóng)業(yè)等。
據(jù)市場(chǎng)調(diào)查,目前國(guó)內(nèi)蜂窩紙由于上膠設(shè)備簡(jiǎn)陋,加工完成的蜂窩紙邊長(zhǎng)出現(xiàn)了不等距現(xiàn)象,從而實(shí)際得到的蜂窩紙芯結(jié)構(gòu)很難保證正六邊形結(jié)構(gòu).如圖1所示。這種結(jié)果能否對(duì)蜂窩紙緩沖性能造成影響值得我們的關(guān)注,目前國(guó)內(nèi)還沒做出類似的分析。
本文結(jié)合MSC.Nastran和MSC.Adams并采用模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)方法計(jì)算動(dòng)態(tài)應(yīng)力時(shí)間歷程,在保證紙芯面積一定的情況下提出了六種相同周長(zhǎng)不同膠邊值的蜂窩紙芯結(jié)構(gòu),完成它們的跌落碰撞分析。
1蜂窩紙芯的成型過程介紹
蜂窩紙芯的成型過程如圖2所示,蜂窩原紙?jiān)谝欢ㄐ问较峦ㄟ^粘貼拉伸后形成蜂窩紙結(jié)構(gòu)。具體方法為:每層壓紙加工后的紙按照一定的規(guī)律粘貼起來,展開后兩膠條之間的距離為孔。第二層涂膠位置與第一層錯(cuò)開,即第二層膠條的位置相對(duì)于第一層膠條間隔的中間,反過來第一層膠條間隔的中間,反過來第一層膠條的位置恰好是第二層膠條間隔的中間。重復(fù)涂膠,奇數(shù)層與第一層涂膠的位置相同;偶數(shù)層與第二層涂膠的位置相同。展開后就可以得到蜂窩紙芯。
在圖2中,定b為形狀系數(shù),a為蜂窩紙邊長(zhǎng)。當(dāng)b=1時(shí),為標(biāo)準(zhǔn)的正六邊形蜂窩紙;當(dāng)6<1時(shí),上膠粘結(jié)邊短,形成扁六邊形蜂窩紙;當(dāng)b>1時(shí),上膠粘結(jié)邊長(zhǎng),形成長(zhǎng)六邊形蜂窩紙。
2跌落碰撞的動(dòng)力學(xué)模型
包裝系統(tǒng)是由包裝件、產(chǎn)品和輔助物等組成的靜態(tài)組合體,以適應(yīng)產(chǎn)品在流通環(huán)境中遇到的各種危害因素的影響,并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)的包裝防護(hù)過程。
包裝系統(tǒng)的跌落碰撞力學(xué)模型由圖3所示,該模型忽略緩沖包裝模型的重量,箱內(nèi)物品用質(zhì)量塊m代替,箱內(nèi)緩沖墊簡(jiǎn)化為彈簧,系統(tǒng)阻尼與沖擊力相比可以忽略不計(jì)。令蜂窩紙包裝物體離地面高為h,彈簧緩沖系數(shù)為k,包裝物體落地后蜂窩紙產(chǎn)生的位移變化為x。
沖擊過程力學(xué)方程由如圖3可知:
3蜂窩紙跌落仿真模型分析
3.1蜂窩紙模型的建立
(1)生成模態(tài)中性文件
仿真軟件ADAMS的自動(dòng)劃分網(wǎng)格能力較弱,采用了有限元軟件Patran建立蜂窩紙分析模型,如圖4所示,其中周長(zhǎng)為36mm。膠邊值分別為2mm,4mm , 6mm , 8mm , 10mm和12mm,在求解器MSC.Nastran生成與MSC.ADAMS相匹配的數(shù)據(jù)交換文件-模態(tài)中性文件(*.mnf )
(2)在仿真軟件ADAMS建立含有柔性體的多體動(dòng)力學(xué)模型。
按要求選取典型工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,承載物體與蜂窩紙固定,并與地面保持著一定高度。圖5為蜂窩紙緩沖分析模型,其中設(shè)置了接觸和約束。
3.2蜂窩紙跌落碰撞過程
規(guī)則蜂窩紙(膠邊值為6mm)的跌落碰撞過程為圖6中所示,其中蜂窩紙和承載物固定,跌落高度為40mm。圖7為蜂窩紙?jiān)谶\(yùn)動(dòng)過程中的變形情況,橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為位移?？梢娫诘谝淮闻c地面碰撞時(shí)蜂窩紙產(chǎn)生的壓縮較大。隨著跌落高度的降低,壓縮距離變小,與地面碰撞周期不斷減小,最后達(dá)到穩(wěn)定。
圖8中為承載物路徑變化情況。橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為位移,由此可見跌落高度在碰撞后大幅變小。從中可知蜂窩紙緩沖能力帶來的影響。
與以上分析類似,可得到其它蜂窩紙模型的跌落碰撞過程與分析結(jié)果。圖9顯示了膠邊值對(duì)蜂窩紙加速度的變化,也是間接觀察傳遞給蜂窩紙。加速度越小,緩沖性能越好。六張圖分別對(duì)應(yīng)著膠邊值為2mm,4mm,6mm,8mm, 10mm和12mm。
在第一次回彈的時(shí)候出現(xiàn)的加速度第一個(gè)峰值分別為500m/s2, 225m/s2, 350m/s2, 800m/s2,1200m/s2和1500/ls2。由此發(fā)現(xiàn)隨著膠邊值的增加緩沖性能先趨向于良好隨后變差.當(dāng)膠邊值為4mm左右的位置緩沖性能最好,隨后緩沖性能開始大幅度變差,即蜂窩紙距離膠邊值在4mm左右位置越大動(dòng)態(tài)緩沖性能越差。同時(shí)緩沖性能越差,緩沖時(shí)間越短。
對(duì)以上蜂窩紙分析結(jié)果進(jìn)行比較后得到如圖10所示的變化曲線,在第一次跟地面接觸緩沖時(shí),隨著膠邊值的變大,緩沖能力先增加后降低。可見紙芯結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度對(duì)蜂窩紙的緩沖性能影響較大。
4結(jié)論
實(shí)際生產(chǎn)蜂窩紙芯過程中由于制芯設(shè)備簡(jiǎn)陋或缺陷等影響,導(dǎo)致紙芯六邊形結(jié)構(gòu)并不一定是所公認(rèn)的正六邊形形狀。本文從此出發(fā)分析這種現(xiàn)狀是否對(duì)蜂窩紙的緩沖性能有影響,并從它的跌落碰撞過程中去分析。建立幾種相同周長(zhǎng)不同膠邊值的蜂窩紙模型,導(dǎo)人有限元軟件MSG.Patran/Nastran設(shè)置相應(yīng)的蜂窩紙材料參數(shù),并運(yùn)用模態(tài)分析技術(shù)生成蜂窩紙柔性體文件,在動(dòng)力學(xué)仿真軟件MSC.adams實(shí)現(xiàn)剛體和柔性體結(jié)合的動(dòng)態(tài)緩沖分析,并得到相應(yīng)的分析結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)蜂窩紙跌落過程中還受到紙芯內(nèi)部空氣、膠水等影響,所分析的模型忽略了這些影響因素,因此需要進(jìn)一步提高模型的實(shí)際化。
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