包装装备跌落撞击缓冲特性分析

2021-06-04刘平白永钢

装备环境工程 2021年5期

刘平，白永钢

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳 621900）

易爆产品在运输过程中，可能遭遇异常跌落撞击环境，会对该产品造成损伤，危害其结构和功能完整性。在产品外加装包装箱，作为运输过程中的缓冲防护装置，对于易爆产品运输过程的安全性至关重要。该包装箱的缓冲防护效果直接影响易爆产品的安全性，尤其是当易爆产品内部有含能材料时。因此，针对包装箱结构开展异常冲击环境下的动态力学响应特性研究具有重要的意义[1]。

包装箱的缓冲结构是异常撞击环境下缓冲防护的主要吸能部件[2-3]。该缓冲结构通常采用多孔疏松材料，如泡沫和木材等[4-6]。包装装备在设计时，还需要考虑制造成本、运输成本、使用操作等方面的问题，故而需要包装装备在满足防护要求的前提下，尺寸和质量尽可能小。

目前由于易爆产品面临的运输冲击环境越发严酷，传统的缓冲材料已不能满足易爆产品的安全防护需求。鉴于泡沫填充蜂窝材料在动态冲击环境中优良的力学行为，可作为缓冲结构一种可选的新型材料。泡沫填充蜂窝材料在静态和动态情况下均具有比纯泡沫和纯蜂窝更优良的吸能效果，近年来国内外学者针对其动态力学性能、吸能效率等开展了大量的研究[7-10]。

物质点法是一种可以描述复杂结构大变形的无网格数值计算方法[11]。该方法不仅可以用来复现复杂结构的细观大变形，还可用来描述宏观高速撞击的损伤情况[12-16]。采用物质点法来描述泡沫填充蜂窝材料的动态力学行为机制[10]，计算结果均与试验吻合，验证了物质点法模拟泡沫填充蜂窝材料动态加载力学响应的适用性。

文中首先采用理论分析的方法，基于能量守恒，建立了易爆产品不同撞击姿态下描述缓冲结构吸能效果与高速冲击、质量、空间约束的关系，开展了高速冲击环境下缓冲结构的优化设计工作。采用物质点法对设计的缓冲结构进行防护效果的验证，分析了传递到被保护产品的冲击能量，评估其撞击环境安全性。

1 运输冲击环境

1.1 典型包装箱结构

包装装备安装在被保护易爆产品外部，用于保证易爆产品在撞击过程中的安全性。包装装备缓冲结构如图1所示。在撞击过程中，通过包装装备缓冲结构的变形吸能，使得传递到易爆产品的高速撞击能量降低到其自身可防护的低速撞击水平。

图1 包装装备缓冲结构Fig.1 Schematic diagram of cushion component in packaging equipment

1.2 撞击姿态

在易爆产品运输撞击过程中，包装装备可能遭遇各种撞击姿态，包括正碰、侧碰等，如图2所示。由于缓冲结构和易爆产品为圆柱结构，不同的撞击姿态对其撞击过程的缓冲吸能效果有影响。

图2 撞击姿态Fig.2 Schematic diagram of impact attitude

2 新型材料缓冲结构设计

2.1 正撞

在包装装备高速撞击过程中，正撞撞击时，冲击能量完全作用在端面缓冲层上，如图2所示。由于高速冲击过程中，动态结构响应呈现局域化的特征，保守分析假设所有的冲击动能均由被保护体前撞击方向上有效面积的缓冲材料来耗散。那么，缓冲材料的有效面积A(x)为：

式中：x为缓冲材料的压缩量；r为内箱体的端面直径。忽略重力，冲击动能的耗散完全由缓冲材料吸收，则可得：

式中：P(x)为缓冲材料的反作用力；v为有效载荷的初速度；vr为有效载荷的剩余速度；dm为缓冲层的最大压缩量；m为有效质量。

缓冲结构材料通常选用多孔吸能材料，其应力应变曲线包括弹性段、平台段和压实段，其中平台段为主要吸能效果的区域[17]。因此，假设缓冲吸能全部由平台段来实现，平台段的应力为σc，则：

假设缓冲材料平台段在压缩到W（%）以后到达压实段，可取：

有效质量m包括被保护体质量m1和端面缓冲材料的质量m2。由于有效面积上的缓冲结构质量包括两部分，因此m2= 2πr2dFρ，ρ为缓冲材料的密度。结合以上各式，积分可得，正撞工况下，缓冲材料的厚度为：

2.2 侧撞

与正撞击略有不同，在侧撞击过程中，缓冲结构材料的有效面积A(x)随着压缩量变化，如图3所示，计算如下：

式中：L为被保护体长度；R为包装箱外径，

R=r+ds。

图3 侧撞截面Fig.3 Schematic diagram of cross section for side impact

此时根据能量守恒可得：

式中，包裹被保护体缓冲材料的质量m3=L（πR2-πr2）ρ。令：

代入式（7）后积分可得：

按照缓冲材料压缩率dm=ds·W来计算，结合式（9）和式（4）可得ds与撞击能量的关系。

2.3 缓冲层厚度与撞击能量的关系

根据2.1和2.2的公式，针对现有被保护体采用木材材料[5-6]来分析针对不同的撞击能量情况下对缓冲材料厚度的要求，目标是将被保护体的撞击速度降低到同一低速撞击水平。在正撞和侧撞工况下，缓冲结构厚度随撞击速度的变化关系如图4所示。从图4中可以看出，撞击速度越小，缓冲层厚度越小。这是由于撞击速度小，需吸收的动能越小。在实际进行缓冲结构设计时，需根据缓冲结构需防护的速度以及选用的缓冲材料动态力学参数，确定可防护该撞击的缓冲结构尺寸。

图4 缓冲结构厚度与撞击速度的关系Fig.4 Depth of cushion components versus impact velocity

为选取合适的缓冲结构材料，分析缓冲结构材料参数对缓冲结构厚度的影响，主要考虑缓冲结构的密度和平台应力。正撞和侧撞工况下，缓冲材料的密度和平台应力对缓冲结构厚度的影响如图5所示。从图5a中可以看出，在防护相同的撞击能量时，缓冲材料厚度随缓冲密度的增大而增大，随平台应力的增大而减小。这是因为，由于缓冲层密度增加，质量增加，需耗散的动能增加，缓冲层厚度增加。从图5b中可以看出，平台应力越大，单位质量可耗散的动能越大。当需耗散的动能总量一定时，所需质量越小，缓冲层厚度越小。因此，在选取缓冲层材料时，应考虑密度小和平台应力大的材料，从而达到降低整体缓冲结构质量的目的。

图5 缓冲材料参数与缓冲结构尺寸的关系Fig.5 The relationship between sizes of cushion component and material parameters: a) depth v.s.density; b) depth v.s.plateau stress

3 缓冲结构冲击环境特性分析

3.1 缓冲材料优选

泡沫填充蜂窝材料（FFH）由于密度小和平台应力较高，是可以作为包装装备缓冲结构的优良材料[18-20]。基于文献[7]中FFH材料动态力学性能研究结论，其平台应力随密度的增加而增加。根据不同密度FFH材料的应力应变曲线，结合式（5）和式（9）获得缓冲结构尺寸和质量随FFH密度的变化情况。高速撞击环境下，缓冲结构尺寸和对应质量随FFH密度的变化关系如图6所示。可以看出，正撞和侧撞的尺寸随FFH密度的增大而降低。这是由于密度增大，导致平台应力大大增加，从而降低了缓冲结构的尺寸。由此可以得出，在当前分析的FFH密度范围内，在FFH材料密度为400 kg/m3时，缓冲结构质量最大，在600 kg/m3时，质量最小。相比于传统木材材料而言，正撞和侧撞工况下，厚度分别可降低约48%和67%，质量至少可降低约49%。

3.2 动态力学分析

为了使缓冲结构的质量和尺寸最小，优选FFH材料密度为600 kg/m3。建立缓冲结构的物质点模型，获得在高速撞击工况下材料的变形和吸能情况。在被压实情况下，缓冲结构的变形情况如图7和图8所示，其中灰色区域为缓冲结构，内部为被保护产品，黑色区域为进入塑性平台段区域，白色区域为塑性应变压实区域。从图7中可以看出，对于正向撞击而言，缓冲材料在0.05 ms未产生塑性变形，撞击面略微压扁；在0.2 ms时，开始进入塑性变形平台段；随后在0.25 ms左右，开始从撞击点附近出现压实区域；直至1.0 ms时，在撞击方向下方的缓冲材料基本完全被压实。对于侧向撞击而言，从图8中可以看出，缓冲材料在0.5 ms未产生塑性变形，撞击点附近略微压扁；在0.15 ms开始进入塑性变形平台段；在0.2 ms开始出现压实区域；直至1.0 ms，缓冲材料被压实，可能出现破坏。