LDPE/PU复合材料在旋塑包装箱中的应用

熊元等

摘要： 研究一种新型复合材料——低密度聚乙烯（LowDensity Polyethylene，LDPE）/聚氨酯（Polyurethane，PU），将其应用到包装箱领域.该包装箱通过旋塑工艺加工成型.通过单轴拉伸试验，分别测量出LDPE和PU的应力应变曲线；根据旋塑模具设计要求用UG对包装箱进行结构设计；用ANSYS Workbench对该包装箱进行结构强度分析.仿真结果表明：LDPE/PU包装箱既保证结构强度，又满足轻量化要求，并能节约成本.

关键词： 复合材料； 聚氨酯； 旋塑； 有限元； ANSYS Workbench

中图分类号： TQ327.8文献标志码： B

0引言

复合材料可以在很大程度上改善和提高单一常规材料的物理和化学性能，可以解决在工程结构上采用常规材料无法解决的关键性问题，所以复合材料广泛应用于飞机、火箭、导弹和人造卫星等军工领域，以及运输工具、建筑、机器零件等民用行业.

根据旋塑工艺的特点，旋塑材料需要具有良好的热塑性，对材料的选择局限性很大.其中，聚乙烯是旋塑模塑工业中的支柱材料，使用量达85%左右.新型低密度聚乙烯

（LowDensity Polyethylene，LDPE）

/聚氨酯

（Polyurethane，PU）

复合材料可通过旋塑生产发泡制品工艺加工制造而成.为检测该复合材料结构是否满足强度设计要求，通过ANSYS Workbench进行仿真，并得出准确结论，考察包装箱的各项性能和市场价值.

1材料力学性能参数测试

有限元分析结果精度首先取决于模型材料参数的准确性，而LDPE/PU种类繁多，不同分子量的分子结构会有不同的材料特性，所以为使有限元模型反映实际情况，通过单轴拉伸试验分别测试出对应牌号的2种材料的本构关系和力学性能参数.

试验装置为电子万能拉力试验机.

试验步骤为：

1）在试样上随机选择3处测量厚度，取算术平均值作为测试前试样的厚度.

2）根据试样长度和夹具的间距调整好限位装置，设定好试验机的拉伸速度.

3）输入试样的原始参数.

4）夹持试样.

5）按照软件设定的试验方案进行试验，多个试样测试重复上一步骤.

6）每个试样测试完成后，保存屏幕右端显示的试验结果.

1.1测试条件

环境温度为20 ℃.

试样尺寸：标准哑铃型试样，参照GB/T 528—1998，尺寸见图1.

1.2测试结果

1.2.1应力应变曲线

通过拉伸试验，在软件中读取LDPE和PU的应力应变曲线，见图2.

1.2.2材料力学特性参数

1）LDPE：密度为924.0 kg/m3，屈服应力为18.5 MPa，弹性模量为556 MPa.

2）PU：密度为232.3 kg/m3，屈服应力为2.8 MPa，弹性模量为137 MPa.

2复合材料包装箱有限元分析

2.1LDPE/PU复合材料包装箱三维几何模型

由于该包装箱是对称结构，为简化模型、提高计算速度，选取箱体的一半进行分析.该包装箱的三维模型通过建模软件UG完成，见图3.

2.2单元网格划分

考虑到有限元非线性分析以及计算成本等因素，分析中PU采用ANSYS 单元库中的SOLID 95单元.SOLID 95是三维8节点实体单元SOLID 45的高次形式，能够用于不规则形状，而且不会在精度上有任

何损失.SOLID 95具有完全形函数，适用于边界为曲线情况下的建模.本单元由20个节点定义，每个节点由 3个自由度：沿节点坐标系x，y和z方向的平动.本单元可以有任何空间方向，具有塑性、徐变、蠕变、大变形、大应变和应力强化的功能，以及其他各种输出选项.

虽然外层LDPE部分较薄，可用板壳单元SHELL模拟，但考虑到PU单元是用实体单元SOLID，体单元每个节点有3个自由度，而壳单元每个单元有6个自由度，这样在这2个不同类型的单元公共节点上就会出现约束不足的问题，而且该包装箱存在许多加强筋等不规则截面，不太容易处理，因此，LDPE和PU均采用SOLID 95实体单元.最后得到的模型共391 961个节点，256 220个实体单元.

2.3材料本构模型

根据单轴拉伸试验测试得到的力学性能参数和应力应变曲线，选取ANSYS Workbench中符合该材料的本构关系模型.由图2可知：LDPE是弹塑性材料，选取Bilinear Isotropic Hardening Plasticity模型模拟其本构模型；PU是线弹性材料，选取Isotropic Elasticity模型模拟其本构模型.

2.4计算及结果

根据技术要求，在箱体内部支撑面上施加0.150 MPa的压力（相当于在箱内放置质量为1 000 kg的物体）时，箱体不会被破坏且没有产生大变形.通过ANSYS Workbench中的静强度分析模块进行计算，并输出相应工况下的位移、应力和应变，得到的云图见图4.

LDPE/PU复合材料箱体的最大应力为0.516 MPa，最大应变为11.17×104，最大位移为0.107 1 mm，这些最大值均出现在LDPE层，远小于LDPE的屈服强度18.5 MPa，满足技术要求.

3LDPE包装箱有限元分析

利用ANSYS对传统单一材料LDPE包装箱，在相同模型和相同工况条件下进行静强度分析.分析过程与上述过程一致，结果云图见图5.LDPE箱体的最大应力为0.243 MPa，最大应变为4.8×10-4，最大位移为0.037 8 mm.

4LDPE/PU复合材料性能评估和市场价值分析

根据前文的有限元分析结果可以看出： LDPE包装箱的安全因数更高.在相同的工况下，LDPE/PU复合材料结构的最大应力比LDPE结构高出53%.但是，由于PU的密度为232.3 kg/m3，远小于LDPE

的密度924.0 kg/m3.在满足相同技术要求的条件下， LDPE/PU复合材料结构优势明显.按照现在塑料市场的价格，LDPE单价为13元/kg，聚氨酯单价为15元/kg.用复合材料制造的包装箱能够减轻60%，并且节约成本57%，具体见表1.在如今塑料市场竞争如此激烈的环境下，该复合材料具有明显的价格优势，并且其轻量化使得其应用的领域更加广阔.

工艺制造方面，利用旋塑工艺的特点，只需在外层LDPE空腔内，直接将生成PU弹性体的原材料灌注进去，发泡填充成PU芯层.制造过程简单易操作，且施工周期短.

在承受很大载荷的情况下，所用的PU隔层一方面可以分散应力，减少应力集中，防止材料产生永久变形或裂纹，从而延长材料的使用寿命；另一方面由于PU具有黏弹性，能够吸声减震，且在运输产品过程中更安全.

由以上分析可知：LDPE/PU复合材料和LDPE相比，生产成本节约一半以上，价格优势明显，且材料自身质量轻，结构的负载能力增大，能耗减少，材料的安全性能高，在塑料包装箱中的应用方面前景广阔，有很大的市场价值.

5结论

1）应用ANSYS Workbench对LDPE/PU复合材料和LDPE材料包装箱进行应力和应变等计算.计算结果表明：在相同的工况下，LDPE/PU复合材料结构的最大应力比LDPE结构高53%，但是由于PU的密度远小于LDPE的密度，所以在满足相同技术要求的条件下， LDPE/PU复合材料结构仍具有一定的应用价值，且价格优势明显.

2）可利用旋塑工艺的特点，使LDPE/PU复合材料包装箱制造过程简单易操作，且施工周期短.

3）在承受很大载荷的情况下，PU芯材一方面可以分散应力，减少应力集中，另一方面由于PU具有黏弹性，能够减少噪声与震动.

（4）与LDPE结构相比，LDPE/PU复合材料自身质量轻，结构的负载能力增大，能耗减少，材料的安全性能高，在塑料包装箱中的应用前景广阔.

参考文献：

[1]

刘国青. 复合材料结构有限元模型修正技术研究[D]. 上海： 上海交通大学， 2011.

[2]徐培林， 张淑琴. 聚氨酯材料手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2002： 89.

[3]杨瑞峰， 白晓云， 高丽琴， 等. 聚氨酯PU发泡填缝材料在塑料门窗中的应用[J]. 山西建筑， 2007， 33（6）： 173174.

YANG Ruifeng， BAI Xiaoyun， GAO Liqin， et al. Application of polyurethane PU foaming joint filler in plastic door and window[J]. Shanxi Architecture， 2007， 33（6）： 173174.

[4]AMIN A F M S， LION A， SEKITA S， et al. Nonlinear dependence of viscosity in modeling the ratedependent response of natural and high damping rubbers in compression and shear： experimental identification and numerical verification[J]. Int J Plasticity， 2006， 22（9）： 16101657.

[5]朱海玲. 轴向荷载作用下钢聚氨酯复合管力学性能研究[D]. 镇江： 江苏科技大学， 2011.

[6]何风梅. 基于ANSYS的板式家具结构强度分析与优化设计研究[D]. 哈尔滨： 东北林业大学， 2008.

[7]张洪才， 刘宪伟， 孙长青， 等. ANSYS Workbench 14.5数值模拟工程实例解析[M]. 北京： 机械工业出版社， 2013： 9.

[8]陈荔新. 基于有限元分析的聚氨酯实心轮胎结构设计的实验研究[D]. 广州： 华南理工大学， 2013.

[9]袁国勇. ANSYS网格划分方法的分析[J]. 现代机械， 2009（6）： 5960.

YUAN Guoyong. Analysis of meshing division method[J]. Mod Machinery， 2009（6）： 5960.

[10]王瑞， 陈海霞， 王广峰. ANSYS有限元网格划分浅析[J]. 天津工业大学学报， 2002， 21（4）： 811.

WANG Rui， CHEN Haixia， WANG Guangfeng. Analysis of ANSYS finite element mesh dividing[J]. J Tianjin Polytechnic Univ， 2002， 21（4）： 811.

[11]王华侨. 结构有限元分析中的网格划分技术及其应用实例[J]. CAD/CAM与制造业信息化， 2005（1）： 4247.

WANG Huaqiao. Mesh technology and its application examples in finite element analysis [J]. CAD/CAM & Manufacturing Inform， 2005（1）： 4247.

[12]姜年朝， 王克选， 戴勇， 等. 航空薄壁结构有限元网格划分原则[C]∥第17届全国结构工程学术会议论文集. 武汉， 2008： 516518.

[13]高志刚， 刘泽明， 李娜. 复杂模型的ANSYS有限元网格划分研究[J]. 机械工程与自动化， 2006（3）： 4143.

GAO Zhigang， LIU Zeming， LI Na. Research of ANSYS finite element mesh dividing on the complicated model[J]. Mech Eng & Automation， 2006（3）： 4143.

[14]赵秀阳. 复合材料三维重构及力学性能的有限元数值分析[D]. 济南： 山东大学， 2006.

[15]赵华， 王敏杰， 张磊， 等. 聚氨酯弹性体黏弹本构建模[J]. 大连理工大学学报， 2009， 49（4）： 512517.

ZHAO Hua， WANG Minjie， ZHANG Lei， et al. Viscoelasticity modeling of polyurethane elastomer[J]. J Dalian Univ Technol， 2009， 49（4）： 512517.

（编辑武晓英）