跌落碰撞的虛擬仿真分析

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

現有蜂窩紙制芯設備簡陋,導致在生產蜂窩紙芯過程中出現不規則六邊形紙芯結構的現象,運用虛擬仿真技術分析了不規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但不同膠邊值的蜂窩紙模型,導入有限元軟件MSC.Patran/Nastran設置相應的蜂窩紙材料參數,并運用模態分析技術生成蜂窩紙柔性體文件,在動力仿真軟件MSC.ada。實現剛體和柔性體結合的動態緩沖分析,最后得到相應的分析結果有助于分析不規則蜂窩紙的緩沖能力。

0引言

沖擊是產品運輸過程及倉儲中經常遇到的一種現象,如人工搬運及裝卸中出現的包裝件跌落,起吊貨物從高處落下,野蠻裝卸時將貨物拋擲,運輸車輛的起動和剎車、飛機的著陸等都會產生沖擊嘆因此在可能出現的條件下選擇具有一定緩沖能力且環保的包裝材料來保證產品的運輸安全變得非常重要。蜂窩紙板具有質量輕、強度大、韌性與回彈性好等特點,是一種環保型緩沖材料,它大量應用于建筑行業、包裝運輸業、殯葬業、農業等。

據市場調查,目前國內蜂窩紙由于上膠設備簡陋,加工完成的蜂窩紙邊長出現了不等距現象,從而實際得到的蜂窩紙芯結構很難保證正六邊形結構.如圖1所示。這種結果能否對蜂窩紙緩沖性能造成影響值得我們的關注,目前國內還沒做出類似的分析。

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本文結合MSC.Nastran和MSC.Adams并采用模態應力恢復方法計算動態應力時間歷程,在保證紙芯面積一定的情況下提出了六種相同周長不同膠邊值的蜂窩紙芯結構,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,蜂窩原紙在一定形式下通過粘貼拉伸后形成蜂窩紙結構。具體方法為:每層壓紙加工后的紙按照一定的規律粘貼起來,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開,即第二層膠條的位置相對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。重復涂膠,奇數層與第一層涂膠的位置相同;偶數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,a為蜂窩紙邊長。當b=1時,為標準的正六邊形蜂窩紙;當6<1時,上膠粘結邊短,形成扁六邊形蜂窩紙;當b>1時,上膠粘結邊長,形成長六邊形蜂窩紙。

    2跌落碰撞的動力學模型

包裝系統是由包裝件、產品和輔助物等組成的靜態組合體,以適應產品在流通環境中遇到的各種危害因素的影響,并對產品進行動態的包裝防護過程。

包裝系統的跌落碰撞力學模型由圖3所示,該模型忽略緩沖包裝模型的重量,箱內物品用質量塊m代替,箱內緩沖墊簡化為彈簧,系統阻尼與沖擊力相比可以忽略不計。令蜂窩紙包裝物體離地面高為h,彈簧緩沖系數為k,包裝物體落地后蜂窩紙產生的位移變化為x。

沖擊過程力學方程由如圖3可知:

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3蜂窩紙跌落仿真模型分析

    3.1蜂窩紙模型的建立

(1)生成模態中性文件

仿真軟件ADAMS的自動劃分網格能力較弱,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相匹配的數據交換文件-模態中性文件(*.mnf )

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(2)在仿真軟件ADAMS建立含有柔性體的多體動力學模型。

按要求選取典型工況進行動力學仿真,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,其中設置了接觸和約束。

    3.2蜂窩紙跌落碰撞過程

規則蜂窩紙(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為蜂窩紙在運動過程中的變形情況,橫坐標為時間,縱坐標為位移。可見在第一次與地面碰撞時蜂窩紙產生的壓縮較大。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,最后達到穩定。

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圖8中為承載物路徑變化情況。橫坐標為時間,縱坐標為位移,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果。圖9顯示了膠邊值對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。六張圖分別對應著膠邊值為2mm,4mm,6mm,8mm, 10mm和12mm。
在第一次回彈的時候出現的加速度第一個峰值分別為500m/s2, 225m/s2, 350m/s2, 800m/s2,1200m/s2和1500/ls2。由此發現隨著膠邊值的增加緩沖性能先趨向于良好隨后變差.當膠邊值為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左右位置越大動態緩沖性能越差。同時緩沖性能越差,緩沖時間越短。

對以上蜂窩紙分析結果進行比較后得到如圖10所示的變化曲線,在第一次跟地面接觸緩沖時,隨著膠邊值的變大,緩沖能力先增加后降低。可見紙芯結構的不規則程度對蜂窩紙的緩沖性能影響較大。

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4結論

實際生產蜂窩紙芯過程中由于制芯設備簡陋或缺陷等影響,導致紙芯六邊形結構并不一定是所公認的正六邊形形狀。本文從此出發分析這種現狀是否對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。建立幾種相同周長不同膠邊值的蜂窩紙模型,導人有限元軟件MSG.Patran/Nastran設置相應的蜂窩紙材料參數,并運用模態分析技術生成蜂窩紙柔性體文件,在動力學仿真軟件MSC.adams實現剛體和柔性體結合的動態緩沖分析,并得到相應的分析結果。結果發現蜂窩紙跌落過程中還受到紙芯內部空氣、膠水等影響,所分析的模型忽略了這些影響因素,因此需要進一步提高模型的實際化。

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