包裝動(dòng)力學(xué)是研究包裝件對(duì)流通過程中的振動(dòng)與沖擊環(huán)境的響應(yīng)課件

1、第二章包裝動(dòng)力學(xué)與流變學(xué)基本概念引起包裝件破損的主要原因是流通過程中的沖擊和振動(dòng)。包裝動(dòng)力學(xué)是研究包裝件對(duì)流通過程中的振動(dòng)與沖擊環(huán)境的響應(yīng)，分析內(nèi)裝產(chǎn)品在振動(dòng)與沖擊環(huán)境激勵(lì)下破損的原因，并在經(jīng)濟(jì)的前提下提出防止內(nèi)裝產(chǎn)品破損的條件，其任務(wù)是為緩沖設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 GB/T22981991機(jī)械振動(dòng)與沖擊術(shù)語機(jī)械沖擊：系統(tǒng)受到瞬態(tài)激勵(lì)，其力、位移、速度、加速度發(fā)生突然變化的現(xiàn)象。突然變化：指在比系統(tǒng)的固有周期短得多的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的變化。第一節(jié) 包裝動(dòng)力學(xué)概念什么是包裝動(dòng)力學(xué)？沖擊的特點(diǎn)：（1）沖擊是驟然的、劇烈的能量釋放、能量轉(zhuǎn)換和能量傳遞。（2）沖擊的持續(xù)時(shí)間很短。（3）沖擊過程一次性完成，不呈現(xiàn)周期

2、性。流通過程中常見的兩類沖擊情況：跌落沖擊：如搬運(yùn)、裝卸、倉(cāng)儲(chǔ)、野蠻包裝（？）等水平?jīng)_擊：運(yùn)輸工具起動(dòng)和剎車等。 在沖擊瞬間，包裝件承受很大的沖擊加速度作用。若包裝件強(qiáng)度低，則可能出現(xiàn)破損。 振動(dòng)：機(jī)械系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)量的振蕩的現(xiàn)象。振蕩：相對(duì)給定的參考系，一個(gè)隨時(shí)間變化的量值與其平均值相比，時(shí)大時(shí)小交替變化的現(xiàn)象。機(jī)械振動(dòng)：指具有質(zhì)量和彈性的物體或系統(tǒng)在其平衡位置附近作來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程。如包裝件的振動(dòng)問題等。 需要研究的振動(dòng)是由振源向振動(dòng)系統(tǒng)輸入信號(hào)，系統(tǒng)所作的響應(yīng)。激勵(lì)（振源）：促使物體振動(dòng)的各種外因阻尼：阻礙物體振動(dòng)的因素，如空氣的阻力，材料的內(nèi)阻，物體之間的摩擦等。機(jī)械振動(dòng)分類 按微分方程

3、分：線性振動(dòng)，非線性振動(dòng) 按自由度分：?jiǎn)巫杂啥认到y(tǒng)，多自由度系統(tǒng)，彈性體系統(tǒng)（連續(xù)介質(zhì)系統(tǒng)，無限自由度）按輸入分：自由振動(dòng)，強(qiáng)迫振動(dòng)，自激振動(dòng)按振動(dòng)規(guī)律分：周期振動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng)按振動(dòng)方向分：垂直振動(dòng)，水平振動(dòng)，傾斜振動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)第三章目錄動(dòng)力學(xué)是研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的學(xué)科。包括已知振源和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，求系統(tǒng)響應(yīng)；已知系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和響應(yīng)求系統(tǒng)輸入；已知系統(tǒng)的輸入和輸出來確定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性（模態(tài)分析，系統(tǒng)識(shí)別）。一、力和加速度（P.9） 牛頓定律： 代數(shù)量形式： 無量綱表達(dá)式：G 表示物體加速度與重力加速度的倍數(shù)，也表示合外力與重力的倍數(shù)。 G 因子是極為重要的量。G 因子?Famvv=運(yùn)輸包裝中往往用G

4、 值表示加速度，Gm表示產(chǎn)品產(chǎn)生的最大加速度，Gc 表示易損件所允許的最大加速度。保證包裝件不失去原有功能或不發(fā)生破損的條件：R.D.Mindlin1945年提出1961年P(guān).E.Franlin和 M.T.Hatae提到了易損度的定義，即裝備品抵抗沖擊與振動(dòng)的能力，強(qiáng)度指標(biāo)。Gc稱為脆值或產(chǎn)品的易損度。Fragility 注意：關(guān)于重力加速度，重視各地的差異。尤其是對(duì)于貴重的、大宗貨物的國(guó)際間貿(mào)易 。二、力的時(shí)間效應(yīng)動(dòng)量定理有什么條件？ 速度變化量等于加速度曲線與時(shí)間間隔（t= t2-t1=）所圍面積，是加速度及時(shí)間間隔的函數(shù)。力的時(shí)間效應(yīng)取決于三個(gè)要素：曲線形狀（波形），最大值Gm （峰值）

5、，時(shí)間間隔 t。力在時(shí)間間隔內(nèi)的效應(yīng)（沖量）等于動(dòng)量的改變。力與速度方向一致當(dāng)Gm、t已確定，由積分可得到不同波形所圍成的面積V。常見波形a. 矩形波b.半正弦波c. 正矢波d.三角形波注意P011的一段話三、力的位移效應(yīng)1、功重力功:彈性功:2、勢(shì)能 （取決于高度差，與路徑無關(guān)） （取決于運(yùn)動(dòng)的始末位置，與路徑無關(guān)) 有勢(shì)力：如果作用在物體上的力所做之功僅與力作用點(diǎn)的起始位置和終了位置有關(guān)，而與其作用點(diǎn)經(jīng)過的路徑無關(guān)，這種力稱為有勢(shì)力或保守力。 勢(shì)能：物體由某位置到選定的零勢(shì)面，有勢(shì)力所做的的功?？烧?、可負(fù)，又可能為零。 機(jī)械能守恒3、 不同作業(yè)方式下的變形物體重量W緩慢釋放，變形速度13m

6、m/min(即在外力堅(jiān)持下，重力由零至全部緩慢加載到彈性材料上)，設(shè)完全釋放時(shí)材料的變形為 ，從機(jī)械能守恒或力的平衡可得 B.重量W突然釋放C. 重量在彈性材料上方h 高度跌落重量為W 的物體支撐于某彈性材料上，設(shè)承載面積為A，材料的彈性剛度為k最大彈性力：最大加速度： G因子的另一物理意義：跌落時(shí)的最大加速度等于跌落時(shí)彈性材料產(chǎn)生的最大變形與彈性材料緩慢釋放完全后的變形之比值?？紤]物體在h高度和最大變形的兩個(gè)瞬間，由機(jī)械能守恒得實(shí)際存在摩擦力等，還必須考慮能量的耗散。（P.016) 四、應(yīng)力與應(yīng)變1、靜應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)力應(yīng)力：材料單位面積上承受的壓力靜應(yīng)力：方向和大小不隨時(shí)間變化的應(yīng)力 如緩沖襯墊

7、所承受的靜應(yīng)力：動(dòng)應(yīng)力：材料在動(dòng)載荷作用下，所承受的最大壓力。 如重量為 W 物體跌落到某一彈性材料上，速度很快變?yōu)?，某瞬時(shí)有最大加速度Gm ,最大作用力為 當(dāng)Gm大于20時(shí)靜應(yīng)力忽略不計(jì)！動(dòng)載系數(shù)：動(dòng)應(yīng)力與靜應(yīng)力之比 G因子的又一物理意義：重物跌落時(shí)產(chǎn)生的最大加速度近似等于動(dòng)載系數(shù)。2、應(yīng)變泊松比：在彈性范圍內(nèi)，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變大小之比為一常數(shù)，稱為泊松比（因材料而異）。對(duì)各項(xiàng)同性材料： ，金屬材料橡膠、石蠟受拉時(shí)體積無變化， ；軟木、泡沫材料： 彈性模量3、應(yīng)變能 材料在壓力作用下產(chǎn)生變形。 測(cè)定施力過程的力變形曲線，曲線下的面積表示壓力所作的功。 變形與材料形狀、尺寸有關(guān)。轉(zhuǎn)化為應(yīng)力

8、應(yīng)變曲線，包圍的面積表征材料的單位體積所吸收的能量應(yīng)變能e 。材料均勻受力變形第二節(jié) 包裝流變學(xué)概念流變學(xué)是在虎克彈性定律和牛頓黏性理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，關(guān)于形變與流動(dòng)的科學(xué)。緩沖材料：黏塑彈性物質(zhì)，可假定由彈性、黏性和塑性三要素所構(gòu)成的物質(zhì)。一、彈性定義：材料在力（外在因素）作用下發(fā)生變形，當(dāng)去掉外力時(shí)能恢復(fù)其原有狀態(tài)的性質(zhì)。彈性力：外力作用下物體內(nèi)部產(chǎn)生阻止變形，力圖恢復(fù)原有狀態(tài)的力（內(nèi)部應(yīng)力），而去掉外力時(shí)隨狀態(tài)的恢復(fù)其內(nèi)部應(yīng)力也隨之消失，這種內(nèi)部應(yīng)力就是彈性（恢復(fù)）力。彈性極限：去掉外力后能完全恢復(fù)其原有狀態(tài)的應(yīng)變界線。在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，且彈性能使材料保持原有平衡位

9、置。彈性是緩沖包裝材料具有緩沖能力的基本條件。緩沖包裝材料可吸收沖擊能量，減小沖擊加速度。緩沖材料的實(shí)際彈性很復(fù)雜，分為線性和非線性兩大類。常見緩沖包裝材料的力變形曲線x緩沖襯墊Pho線彈性材料： 金屬?gòu)椈呻p直線型彈性材料：緩沖材料完全壓縮且與外包裝 容器接觸。圖中r0or0三次函數(shù)型彈性材料：細(xì)木刨花，木屑，塑料絲，乙酸纖維絲雙曲正切型彈性材料：EPS泡沫塑料，蜂窩紙板，瓦楞紙板 不規(guī)則型彈性材料：發(fā)泡材料（前段像雙曲正切形，后段像正切形的組合狀態(tài)）注意！ 應(yīng)力應(yīng)變曲線， 不僅取決于材料，而且與具體使用的結(jié)構(gòu)、加載方式、溫度條件等有關(guān)正切型彈性材料：泡沫橡膠，碎紙，細(xì)木刨花對(duì)于非線性彈性，變

10、形曲線上各點(diǎn)的斜率不同，因此各點(diǎn)的彈性模量E和k都不同。 研究小變形時(shí)，常用初始彈性模量。在彈性極限范圍內(nèi)，完全按線性彈性對(duì)待，稱為正切模量 。 曲線呈非線性時(shí)，常用正割模量代替正切模量，對(duì)工程塑料是以 時(shí)的弦線斜率來代替該點(diǎn)的切線斜率： 彈性變形率（彈性率）對(duì)常用緩沖材料： 彈性效率： 原始長(zhǎng)度加載后的長(zhǎng)度卸載后的長(zhǎng)度破斷前的全長(zhǎng)P.019緩沖材料的等效彈性剛度緩沖襯墊的等效彈性剛度可用彈簧的剛度來表示，即： 緩沖襯墊PPhx緩沖墊的串聯(lián)緩沖墊的并聯(lián) 注意：假設(shè)緩沖墊變形相等，實(shí)際上有可能不相等。與力的施加位置有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮。二、塑性 塑性變形：如果去掉外力后，變形不能全部消失而留有殘余

11、，此殘余部分稱為塑性變形或殘余變形。 塑性指當(dāng)材料承載超過強(qiáng)度極限時(shí)產(chǎn)生流動(dòng)，造成永久變形和破壞的性質(zhì)。永久變形吸收外界能量，減小沖擊和振動(dòng)。 用回彈率表示塑性：固體物質(zhì)卸載時(shí)的回彈量與加載時(shí)的壓縮量之比?？胀段锲返陌b：利用大外力下的塑料變形來吸收能量，達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的目的。積層式瓦楞紙板、木絲、聚苯乙烯泡沫，都在不同程度上利用材料的塑性來到達(dá)緩沖的目的。壓潰型緩沖材料。緩沖材料塑性的應(yīng)用(P.021022)三、黏性（粘性，阻尼）流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下抵抗剪切變形速率能力的性質(zhì)，稱為黏性。流體的固有屬性，是運(yùn)動(dòng)流體產(chǎn)生機(jī)械能損失的根源。與速度有關(guān)。例如，氣體介質(zhì)阻力、水流動(dòng)時(shí)能量損失等。緩沖材料，在

12、受到振動(dòng)與沖擊時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力（稱為內(nèi)阻），主要是內(nèi)部摩擦力。能吸收振動(dòng)能量、衰減振動(dòng)。與內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)。與速度不一定成比例，不一定屬于線性阻尼。工程上設(shè)法等效為線性阻尼。如何等效?阻尼系數(shù)可衡量材料或結(jié)構(gòu)的阻尼大小。相當(dāng)于電路中的電容。四、蠕變?nèi)渥冎福ň彌_）材料在受到靜外力作用下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)使靜變形量增大的一種現(xiàn)象。其實(shí)質(zhì)是（緩沖）材料從一種平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一平衡狀態(tài)，但（緩沖）材料的變形量隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大。蠕變不僅與荷載、時(shí)間有關(guān)，而且與溫度有關(guān)。隨著溫度的升高，蠕變愈明顯地增大。注意：在溫度高、壓力大的流通環(huán)境中，包裝件因堆碼和存儲(chǔ)，緩沖材料易產(chǎn)生蠕變，導(dǎo)致襯墊和外包裝容器之間出現(xiàn)空隙，產(chǎn)品易產(chǎn)生二次沖擊現(xiàn)象。五、 松弛現(xiàn)象定義：材料受力后，在保持固定的變形下，其內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間增加而減少的現(xiàn)象。緩沖材料的松弛現(xiàn)象普遍存在，塑料特別明顯。與溫度和作用時(shí)間有關(guān)。 蠕變是機(jī)械力作用下的力學(xué)松弛；在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生電學(xué)松弛。松弛過程存在于物質(zhì)由一種平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N平衡狀態(tài)的過渡過程之中，它不是熱力學(xué)過程，是一種動(dòng)力學(xué)過程。迄今對(duì)松弛的微觀機(jī)理尚缺少完善的、能作出定量解釋的理論。