EPE本构模型的构建及缓冲过程的数值模拟
随着计算机技术的发展，越来越多的包装设计人员利用有限元仿真技术研究缓冲包装材料的缓冲性能以及优化缓冲包装设计。缓冲包装材料力学性能参数的准确性对仿真结果有重要影响，为了保证仿真计算结果的准确性，需要对缓冲包装材料的力学性能进行研究并构建完善的本构模型以获取准确的材料参数。本文以缓冲包装材料发泡聚乙烯（EPE）为研究对象，主要从以下四个方面进行研究： （1）通过实验研究了EPE在准静态压缩、动态冲击和拉伸负载下的力学特征，分别探讨了密度、应变率、温度变化对压缩和冲击下的压缩应力-应变曲线的影响以及密度、应变率变化对拉伸应力-应变曲线的影响。 （2）基于EPE在准静态压缩、动态冲击下的实验数据，在Sherwood-Frost唯象本构模型框架的基础上，构建了密度与应变耦合的密度项；在Johnson-Cook温度软化项的基础上构建了耦合温度与应变的温度项；在Nagy模型和热激活Seeger模型的基础上，构建了应变率与应变耦合的应变率项，结合密度项和温度项建立了完整的EPE的压缩冲击本构模型。基于构建的本构模型和ABAQUS中的LowDensityFoam模型，对落锤冲击实验进行了仿真模拟，仿真结果与实验结果的峰值加速度误差均在5g以内，验证了EPE本构模型和仿真模型的准确性。 （3）通过有限元仿真模拟得到了不同密度的EPE（15kg/m3、21kg/m3、28kg/m3、36kg/m3）在不同跌落高度（460mm、660mm、760mm、970mm）、不同环境温度（0℃、20℃、40℃、60℃）下的时间-加速度曲线和峰值加速度-静应力曲线，研究了不同跌落高度下密度和温度变化对EPE动态缓冲曲线的影响，影响规律与现有通过实验方法得到的结果比较一致，仿真方法和结果可为缓冲包装设计提供技术手段和参考。 （4）基于EPE拉伸实验数据，构建了密度和应变耦合的密度项以及应变率、应变和密度耦合的应变率项的拉伸本构模型。结合拉伸本构模型和有限元仿真技术，模拟了EPE的单轴拉伸过程，验证了拉伸本构模型的准确性；最后模拟了EPE缓冲衬垫在棱角面跌落时的缓冲过程，揭示了缓冲衬垫在缓冲过程中承受拉伸负载的情况，表明在利用有限元仿真分析EPE缓冲衬垫缓冲特性时，需要综合考虑泡沫材料的压缩和拉伸力学特性。
发泡聚乙烯;力学性能;本构模型;数值模拟;缓冲性能
天津科技大学
硕士
轻工技术与工程
梁俊;焦庆玲
2022
中文
TB485.1
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）