运输包装随机振动疲劳曲线及加速振动试验技术

王志伟　刘博　王立军

摘要： 推导了运输包装三轴随机振动激励下产品上关注点的von Mises等效应力与激励加速度均方根值的关系，证明了关注点处材料应力疲劳曲线（曲线）和运输包装振动疲劳曲线（曲线）的等价性;针对两类工程上常用的Basquin型（幂函数型）和指数函数型损伤和疲劳模型，给出了其曲线形式，得到了基于曲线的运输包装加速随机振动时间压缩比，并通过产品模型有限元算例验证了其正确性。由于加速度易于分析和测量，因此基于曲线的运输包装加速随机振动试验技术具有潜在的应用价值和进一步研究发展空间。

关键词： 随机振动; 加速振动试验; 运输包装; 振动疲劳曲线

中图分类号： O324; TH113.1    文献标志码： A    文章编号： 1004-4523（2022）02-0297-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.005

引  言

运输包装的随机振动十分复杂，它与运输环境、运输工具及速度、产品和包装以及装载等情况有关。同时，由于产品及其组成部件和材料种类繁多，运输包装形式各异，振动损伤規律表现各不相同，导致运输包装在物流过程中呈现多种损伤和失效形式。为了评价产品运输包装在物流振动条件下的性能及其有效性与适度性，节省试验时间，随机振动试验和加速振动试验成为实践中必不可少的重要手段。

在结构（产品）加速振动试验方法研究方面，Allegri等采用von Mises等效应力，得到了等效应力功率谱与应力功率谱的关系，研究了稳态高斯随机加速振动试验，给出了试验时间压缩的逆幂律模型，对指导加速振动试验具有重要意义。程军圣等、李奇志等对加速振动试验和逆幂律模型进行了进一步的研究。Jiang等利用带切口的悬臂铝梁试件，试验研究了不同参数高斯和非高斯随机振动输入对试件寿命的影响，提出了在非高斯激励下振动疲劳的加速试验数学模型。张方等基于结构疲劳寿命频域分析的Bendat法和Dirlik法，建立了激励谱量级、响应应力水平和疲劳寿命之间的关系，提出了基于频域法的随机振动疲劳加速试验设计。Quang等采用共振追踪法研究了电路板的加速振动可靠性。需要指出的是：上述结构（产品）的加速振动试验研究工作均是在材料疲劳损伤符合Basquin幂函数模型的前提下进行的。当材料疲劳损伤不符合Basquin幂函数模型而符合其他疲劳损伤模型（如指数函数模型）时，用Allegri方法推出的试验时间压缩表达式与von Mises等效应力有关，难以指导加速振动试验。

对于产品运输包装，由于产品组成部件和包装容器的多样性，各组成材料和部件的疲劳损伤准则会有很大不同，一般不再符合Basquin幂函数模型，整体上表现出：不同产品运输包装具有不同的振动损伤失效形式，同一产品运输包装也呈现多种振动损伤失效。所以，产品运输包装的加速振动试验研究显得更为复杂，必须区分不同的振动损伤失效形式。这里需要说明：产品运输包装振动损伤失效是从产品的商品意义上讲的，指产品达到一定程度的损伤累积或某一功能失效，与一般意义上的材料和结构疲劳失效有所不同。

针对产品运输包装的特点，采用有限元和实验方法，研究了各类运输包装的随机振动动力行为，建立了运输包装的随机振动分析模型，提出了基于产品部件加速度功率谱（而不是基于损伤关注点应力场）的运输包装加速振动试验方法，研究了瓦楞纸板、负载瓦楞纸箱和产品表面印刷磨损的振动失效模式和规律。本文是上述工作的研究延续，进一步研究运输包装三轴随机振动激励下产品上关注点的von Mises等效应力与激励加速度均方根值之间的关系，研究关注点处材料应力疲劳曲线（曲线）与运输包装振动疲劳曲线（曲线）的等价性，针对工程上常用的损伤和疲劳模型，研究基于曲线的运输包装加速随机振动试验技术，并通过产品模型有限元算例进行数值验证。