植物纤维餐具碗在运输包装环境抗冲击行为有限元分析

第一作者卢富德男，博士，1982年11月生

通信作者高德男，教授，1963年6月生

邮箱：gaode63@163.com

植物纤维餐具碗在运输包装环境抗冲击行为有限元分析

卢富德, 高德

(浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315100)

摘要：为分析运输环境中可降解餐具碗在发泡聚苯乙烯缓冲下的冲击性能，并为此类产品的破坏模式给予评估，利用ABAQUS/Explicit建立碗与发泡聚苯乙烯在跌落冲击下的有限元模型。引入失效准则及单元删除研究餐具碗破损规律，分析跌落速度对碗的影响规律，并与无缓冲包装碗的跌落进行对比。分析碗叠合在缓冲泡沫作用下的冲击响应。结果表明，泡沫缓冲对冲击结果影响较大，可有效避免碗的破损。

关键词：植物纤维；餐具碗；包装；冲击；失效

收稿日期：2013-10-09修改稿收到日期：2013-11-28

中图分类号:TB486文献标志码：A

基金项目：武器装备预先研究

基金项目：国家自然科学基金重点项目(50638010)及科技部国家重点实验室基础研究资助项目(SLDRCE08-A-03)及河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A560691)

Finite element analysis for anti-impact behavior of biogradable plant fibre bowls with foam cushioning packaging

LUFu-de,GAODe(Ningbo Institute of Technology，Zhejiang University，Ningbo 315100，China)

Abstract:In order to investigate the impact responses of biogradable bowls made of plant fibre and evaluate the damage mode of this type of products, a finite element model of a bowl with foam cushioning packaging subjected to drop impact was established with ABAQUS/Explicit. Failure criterion and mesh deleting were introduced to study the fracture law of the plant fibre bowl under free fall loadings. Then, the influences of drop velocity and the foam cushion on the dynamic responses of the bowl were analyzed, and the impact responses of the bowl were compared with those of the bowl without foam packaging. Finally, the impact response of several bowls stacked together was investigated. The results showed that the effect of the foam cushioning on the bowls’ impacted results is significant, it can be used to effectively avoid the damage of the bowls.

Key words:plant fibre; bowl; packaging; drop impact; failure

产品在流通中需要缓冲包装，以吸收外界产生的能量，保护产品的完整性及可靠性。Newton[1]最早提出破损边界曲线概念，认为产品破坏源于其易损零件，缓冲包装在跌落时生成的脉冲传到产品主体，通过连接件刚度传到易损零件，当易损零件最大响应加速度大于本身极限加速度则会发生物理或功能破坏，导致整个产品不能正常使用。利用产品的最大加速度响应判断其失效与否为较有效途径[2-3]。

一般产品缓冲包装材料的力学行为呈非线性力特征，Wang等[4]研究瓦楞纸板缓冲系统非线性冲击行为；高德等[5-9]以发泡聚乙烯、瓦楞纸板、蜂窝纸板缓冲材料为研究对象，介绍实际产品的缓冲动力学响应。该理论方法为分析电子产品易损件受冲击或振动载荷时的动力学响应奠定基础。而对某些产品如植物纤维餐具碗[10]，无法离散出易损零件及产品主体，应按文献[11]的研究思路，须考虑产品整体变形，求解产品应力分布判断产品局部出现的破坏，方能可靠预测其抗冲击行为。

鉴于此，本文利用ABAQUS/Explicit建立可降解餐具碗在缓冲包装作用下的有限元模型，研究其在泡沫包装下受冲击载荷的应力分布及抗冲击行为，为此类产品的防护包装提供依据。

1缓冲系统力学性能

1.1植物纤维材料力学性能

植物纤维餐具碗厚度远小于其高度、直径等尺寸，具有一般薄壳的几何属性。受压缩时碗壳单元为拉伸与弯曲的组合变形，因此需植物纤维材料的拉伸性能用于求解结构有限元响应[12]。对植物纤维材料拉伸试验，所得应力-应变关系见图1。由图1曲线看出，OP段为线弹性阶段，PQ段为塑性阶段，而QR段则为应力强化阶段。R点对应材料的失效萌生点，RS为失效的演化阶段，演化应变较小。植物纤维材料的力学性能参数见表1。由表1看出，该材料性能较符合ABAQUS/Explicit中Ductile damage失效本构模型；损伤演化阶段不明显，即断裂能较小，材料表现出一定脆性。

图1 植物纤维材料应力-应变关系Fig.1Thesress-strainrelationshipofplantfibre图2 Ductiles失效应力-应变关系Fig.2stress-strainforductiledamage

表1　植物纤维材料基本参数

1.2缓冲材料力学EPS性能

利用缓冲材料发泡聚苯乙烯EPS，密度为28 kg/m3,弹性模量4 MPa，泊松比为0。将塑性屈服阶段力学行为应力-应变曲线[13]用于ABAQUS中，即可进行有限元模拟。

2餐具碗运输包装有限元模型

泡沫EPS有限元模型用Crushable foam模型，采用椭圆屈服面(坐标为偏应力、静水压力),单轴初始屈服应力与静水压初始屈服应力比为1.1，静水拉应力与静水压应力比为0.1[15]。

图3　餐具碗有限元模型 Fig.3 Finite element model of plant fibre bowl

3数值结果

3.1泡沫缓冲作用

以2个碗叠合为例，对餐具碗向下施5 m/s加速度进行有限元分析，不同位置的应力随时间变化响应见图4。由图4看出，两个碗的破坏形式大致相同，均为底部出现裂纹，远离底部处为弹性变形；裂纹尖端，即位置1处的应力在0.000 5 s处突然从最大值19.8 MPa降到0，预示碗发生破坏，由于植物纤维断裂演化应变较小，应力值迅速下降，表现出一定的脆性破坏形式。图5显示下层碗底部出现裂纹,两层碗出现相同的破坏规律。图6为运输包装餐具碗，跌落速度增加到8 m/s，但2层碗未出现破坏，此因碗下面有5 mm的EPS作为缓冲。

图4　碗不同位置应力-时间响应 Fig.4 Stress-time history

图5　下层餐具碗应力云图(0.000 74 s) Fig.5 Stress nephogram of bottom layer bowl at the time of 0.000 74 s

图6　速度8 m/s时缓冲系统应力云图(t=0.001 6 s) Fig.6 Stress history of bowl with foam packaging when velocity is 8 m/s(t=0.001 6 s)

图7　运输包装餐具碗不同位置应力-时间响应 Fig.7 Stress-time history with foam packaging

图8　六层碗叠合有限元模型 Fig.8 Finite element model of 6-layered bowl

图9　六层碗应力云图 Fig.9 Stress distribution of 6-layered bowl

图10　位置P处2、6层碗底面应力-时间对比 Fig.10 Comparison of stress-time curves of the bottom of the bowl between 2-layer and 6-layer bowl with foam packaging

图7为对应的应力-时间曲线，可见应力均未达到植物纤维的破坏极限，碗是正常的。

3.2餐叠合层数影响

对碗叠合2层、6层，见图8。冲击速度为5 m/s时，即使层数增加到6层，仍未见破坏现象，见图9。增加最下层碗的应力响应，见图10。由于碗的厚度较小，在该冲击速度下，每层碗具有的动能仅0.54 J，能量较小，层的影响相对较小。

4结论

(1)本文引入失效准则及单元删除，在试验基础上，利用ABAQUS/Explicit模拟餐具碗在运输包装环境下的破损规律，克服试验手段难以测试动态裂纹弊端。结果表明，由于餐具碗跌落动态源于自身重力势能，碗薄能量较小，用5 mm的EPS泡沫即可改善整体结构的防撞性能。

(2)由于碗自身无易损件与产品主体之分，故产品破损与否较难用碗所受加速度响应判断。所建有限元模型，可为此类产品的破坏机理研究提供依据。

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