于敏，周斌，鄭銀環(huán)

基于TPU材料的Kelvin結(jié)構(gòu)緩沖性能研究

于敏，周斌，鄭銀環(huán)

（武漢理工大學(xué)，武漢 430000）

探究TPU材料Kelvin結(jié)構(gòu)緩沖性能，為包裝緩沖減振提供新方案。設(shè)計(jì)不同尺寸規(guī)格的Kelvin結(jié)構(gòu)及正六邊形結(jié)構(gòu)，利用3D打印完成實(shí)體成型，開(kāi)展力學(xué)壓縮試驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比分析。TPU材料Kelvin結(jié)構(gòu)具備較優(yōu)良的壓縮回彈率；隨著相對(duì)密度、尺寸等級(jí)的不斷增加，其最大應(yīng)力相應(yīng)增加；中等尺寸規(guī)格情況下，其力學(xué)性能最優(yōu)；在吸收相同能量的情況下，TPU材料的Kelvin結(jié)構(gòu)的應(yīng)力小于正六邊形結(jié)構(gòu)。TPU材料的Kelvin結(jié)構(gòu)具備較優(yōu)良的力學(xué)性能，有一定的工程適應(yīng)性。

Kelvin結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)測(cè)試；力學(xué)性能

3D打印作為先進(jìn)制造業(yè)中有代表性的技術(shù)領(lǐng)域，改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式。隨著柔性材料TPU（Thermoplastic Polyurethanes）3D打印技術(shù)的不斷成熟[1]，3D打印的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，其中在緩沖領(lǐng)域的應(yīng)用包括緩沖鞋墊[2-3]、緩沖夾層等。常見(jiàn)3D打印TPU材料緩沖夾層結(jié)構(gòu)包括正六邊形[4-5]、正四邊形、正三角形[6]、體心立方[7]、Kelvin[8-9]等結(jié)構(gòu)等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究TPU材料3D打印緩沖結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，往往通過(guò)三維建模完成緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借助3D打印由TPU材質(zhì)線材完成實(shí)物成型，進(jìn)而通過(guò)靜態(tài)壓縮或動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行力學(xué)性能分析。蜂窩結(jié)構(gòu)是目前國(guó)內(nèi)研究最廣泛的。Simon等[4-5]、劉翔[6]、張亞男[7]、阮班超[10]借助3D打印，完成了不同尺寸規(guī)格的蜂窩結(jié)構(gòu)的成型，并通過(guò)上述方法進(jìn)行力學(xué)性能分析。結(jié)果顯示，由3D打印的TPU蜂窩結(jié)構(gòu)與膨脹閉孔聚氨酯泡沫具備相當(dāng)?shù)哪芰课招?，不同密度下，吸收總能、質(zhì)量比吸能等能量吸收性能會(huì)產(chǎn)生變化。Kelvin結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)，借助于3D打印技術(shù)完成TPU材料的Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)制作，在產(chǎn)品的緩沖減振和防護(hù)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。Hawreliak等[11]、Oh等[12]通過(guò)實(shí)踐，驗(yàn)證了利用3D打印進(jìn)行TPU材料的Kelvin結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)性。Ge等[2]將3D打印技術(shù)同TPU材料結(jié)合，研究Kelvin結(jié)構(gòu)的緩沖性能。魯埝坤[13]利用ANSYS15.0進(jìn)行恒定速度動(dòng)態(tài)壓縮、動(dòng)態(tài)沖擊跌落分析的有限元分析，開(kāi)拓了TPU材料的Kelvin結(jié)構(gòu)的數(shù)字模擬。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有研究?jī)?nèi)容主要集中于3D打印技術(shù)及基于3D打印TPU緩沖結(jié)構(gòu)性能，在對(duì)其進(jìn)行了有限元分析后，尚缺乏試驗(yàn)進(jìn)行論證，同時(shí)對(duì)于TPU材料Kelvin結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析缺乏一定的對(duì)比。

1 基于TPU材料的Kelvin結(jié)構(gòu)分析

Kelvin結(jié)構(gòu)包含8個(gè)正六邊形和6個(gè)正四邊形。圖1為Kelvin結(jié)構(gòu)的4種截面[9]，圖1a—d分別是曲邊三角形、正三角形、正四邊形、圓柱形。參考對(duì)Kelvin泡沫分析方式，對(duì)文中圓柱截面Kelvin結(jié)構(gòu)（圖1d）展開(kāi)理論分析。

圖1 Kelvin結(jié)構(gòu)4種截面形狀示意圖

對(duì)于2×2×2的Kelvin結(jié)構(gòu)模型，選擇其中2個(gè)并列Kelvin結(jié)構(gòu)單元為觀測(cè)主要對(duì)象，見(jiàn)圖2。選擇其最具周期性且數(shù)目最小的支柱作為分析的基本單元，如圖2a中所示，并沿其對(duì)稱軸方向建立總坐標(biāo)系。由圖2可知，、、、4根支柱分別平行于、平面，在壓縮的過(guò)程中，其產(chǎn)生的主要變形和應(yīng)變?cè)谄矫鎯?nèi)。采用圖2b所示的正六面體單元來(lái)代表整體模型，分析Kelvin結(jié)構(gòu)的受力情況。圖2b中各個(gè)邊長(zhǎng)為圖2a中單獨(dú)Kelvin結(jié)構(gòu)對(duì)稱軸，水平方向上的支柱選取原支柱長(zhǎng)度的1/2。

圖2 模型簡(jiǎn)化圖

根據(jù)圖2，推導(dǎo)出Kelvin結(jié)構(gòu)模型相對(duì)密度和所受應(yīng)力的關(guān)系，為：

式中：、s分別為Kelvin結(jié)構(gòu)密度和TPU線材密度；為Kelvin結(jié)構(gòu)支柱的橫截面積；為Kelvin結(jié)構(gòu)支柱的長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)圖2b所示模型展開(kāi)研究，進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，獲得Kelvin結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力大小為：

式中：為Kelvin結(jié)構(gòu)所受載荷。由圖2b可知，圖中所示支柱具備一定的對(duì)稱性，故選取及其對(duì)應(yīng)的水平支柱的一半進(jìn)行分析。當(dāng)上、下表面同時(shí)施加壓縮載荷，上、下表面保持相對(duì)平行，則中間部分的支柱可視為兩端固定簡(jiǎn)支梁。設(shè)中點(diǎn)為，則支柱中點(diǎn)位置的彎矩為0，僅受方向上的壓縮應(yīng)力的作用，支柱受力分析圖見(jiàn)圖3。

圖3 支柱受力分析圖

根據(jù)工程力學(xué)中梁的理論，可知其撓曲線方程見(jiàn)式（3），式中、分別為梁的彈性模量和截面慣性矩。

對(duì)式（5）再次進(jìn)行積分，考慮到半支柱長(zhǎng)度的邊界條件，得：

同式（1）聯(lián)立，得方向上的宏觀壓縮應(yīng)力為：

結(jié)合式（1）和表1將式（8）寫(xiě)為式（9），公式前部分的常量稱為支柱截面形狀參數(shù)，常見(jiàn)的支柱截面形狀參數(shù)可參考表1[14]。

考慮Kelvin結(jié)構(gòu)在壓縮過(guò)程中支柱產(chǎn)生的位移變化。

對(duì)于點(diǎn)，則存在：

類似地，在方向上，存在：

在點(diǎn)處，則存在：

表1 支柱截面形狀參數(shù)

Tab.1 Shape parameters of pillar section

由Matlab進(jìn)行編程求解，計(jì)算壓縮情況下的應(yīng)力、應(yīng)變值，并繪制其應(yīng)力–應(yīng)變曲線見(jiàn)圖4。在考慮減少原始材料對(duì)計(jì)算結(jié)果影響的情況下，使用無(wú)量綱形式來(lái)計(jì)算應(yīng)力。

由圖4a可知，對(duì)于圓柱截面的Kelvin結(jié)構(gòu)，隨著應(yīng)變的逐漸增加，應(yīng)力–應(yīng)變曲線由線性關(guān)系逐漸轉(zhuǎn)為上凹形狀，隨著加載過(guò)程的進(jìn)行，Kelvin結(jié)構(gòu)整體剛度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。由圖4b可知，隨著相對(duì)密度的增大，其相對(duì)彈性模量呈指數(shù)上升的趨勢(shì)。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步評(píng)估不同尺寸等級(jí)、不同相對(duì)密度的Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，通過(guò)INSTRON 5882萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行壓縮加載–卸載測(cè)試。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的載荷范圍為±100 kN，位移精度為0.1 μ。將3D打印TPU緩沖結(jié)構(gòu)放置于下壓縮板中心位置處，設(shè)置上壓板應(yīng)變速率為2 mm/min，由計(jì)算機(jī)控制上壓板施加載荷，壓縮至緩沖結(jié)構(gòu)達(dá)到密實(shí)狀態(tài)。達(dá)到密實(shí)狀態(tài)后，計(jì)算機(jī)控制上壓板以2 mm/min的速率卸載，卸載至緩沖結(jié)構(gòu)初始高度。每組試樣5個(gè)，每組試樣循環(huán)上述過(guò)程循環(huán)5次。

圖5為壓縮試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的圖，圖5a、b分別為試驗(yàn)設(shè)備及其配套的計(jì)算機(jī)測(cè)試及處理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)測(cè)試及處理系統(tǒng)可記錄壓縮試驗(yàn)過(guò)程中其力–位移的數(shù)值，并會(huì)根據(jù)輸入的試樣尺寸以及其設(shè)備對(duì)位移的測(cè)量換算成應(yīng)力–應(yīng)變曲線。通過(guò)對(duì)應(yīng)力–應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，整理統(tǒng)計(jì)或計(jì)算出每個(gè)緩沖結(jié)構(gòu)在壓縮循環(huán)內(nèi)的能量損失效率等，求出每組的平均值。

圖5 壓縮試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

通過(guò)前期的預(yù)壓縮試驗(yàn)，可知在壓縮循環(huán)達(dá)到第4次時(shí)，所得曲線與第3次循環(huán)曲線基本重合，可推斷緩沖結(jié)構(gòu)的壓縮回彈率、能量損失效率在第3次循環(huán)后逐漸趨向穩(wěn)定。為保證所計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)第5次循環(huán)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算緩沖結(jié)構(gòu)在單軸壓縮下的壓縮回彈率、壓縮能量損失率，計(jì)算見(jiàn)式（5）。

式中：0為緩沖結(jié)構(gòu)初始厚度，在一個(gè)壓縮循環(huán)內(nèi)；1為壓縮循環(huán)加載開(kāi)始在為0的位移；2為壓縮循環(huán)卸載結(jié)束載荷降為0的位移。

式中：0為試樣壓縮至應(yīng)變1的過(guò)程中緩沖結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的能量；1為由應(yīng)變1卸載至載荷為0時(shí)的應(yīng)變2釋放的能量，是在一次加載卸載循環(huán)內(nèi)，試樣吸收或壓縮損失的能量。

2.2 樣品制備

影響緩沖結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的因素有很多，如相對(duì)密度[15-16]、尺寸等級(jí)、原始材料等。對(duì)于此類緩沖結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)尚未存在具體的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。故此處參考ASTM D 395—2003《橡膠壓縮特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、GB/T 181—2009 《硫化橡膠回彈性的測(cè)定》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并依照試驗(yàn)設(shè)備通用的尺寸大小，設(shè)計(jì)緩沖結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高為30 mm×30 mm×30 mm，并通過(guò)SolidWorks 2020建模見(jiàn)圖7。

對(duì)于尺寸為30 mm×30 mm×30 mm的緩沖結(jié)構(gòu)，隨著構(gòu)成單元支柱截面尺寸、支柱長(zhǎng)度的增大，構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的基本單元尺寸也逐漸縮小。故擬定3種尺寸等級(jí)的緩沖結(jié)構(gòu)，即密多邊形緩沖結(jié)構(gòu)、中多邊形緩沖結(jié)構(gòu)、疏多邊形緩沖結(jié)構(gòu)，同時(shí)使其相對(duì)密度為40%。除設(shè)計(jì)3種尺寸等級(jí)的Kelvin結(jié)構(gòu)外，設(shè)計(jì)3種相對(duì)密度的Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)，即相對(duì)密度分別為17%、40%、71%的緩沖結(jié)構(gòu)，詳細(xì)數(shù)據(jù)參見(jiàn)表2。

圖6 Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)單元

圖7 緩沖結(jié)構(gòu)示意圖

表2 Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

Tab.2 Design parameters of Kelvin cushioning structure

利用SolidWorks2020三維建模軟件，設(shè)計(jì)如圖8、圖9所示的不同尺寸等級(jí)、不同相對(duì)密度的Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)。

通過(guò)SolidWorks2020完成緩沖結(jié)構(gòu)建模，將SolidWorks2020建好的*.sldprt格式的文件導(dǎo)出為*.stl格式，從而將*.stl格式的文件拖放至Simplify3D軟件中的Build Table上，并將模型安排至軟件構(gòu)建板的中心位置，設(shè)定其打印參數(shù)：打印尺寸為30×30×30，細(xì)絲直徑為0.75 mm，噴頭直徑為0.35 mm，打印噴頭溫度為210 ℃，填充率為45%。預(yù)覽模型的3D打印效果，確定無(wú)誤后開(kāi)始打印，留意其打印完成所需時(shí)間及其所耗線材的長(zhǎng)度。為保證噴頭可正常吐絲并以優(yōu)良的品質(zhì)完成緩沖結(jié)構(gòu)模型的打印，先使用易生TPU材料線材（如圖10所示）進(jìn)行預(yù)打印工作，確保打印機(jī)穩(wěn)定工作后，開(kāi)始緩沖結(jié)構(gòu)的打印工作。

圖8 不同尺寸等級(jí)的Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)

圖9 不同相對(duì)密度的Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)

圖10 選用線材

打印后的緩沖結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11、圖12。在獲得打印的緩沖結(jié)構(gòu)之后，對(duì)其實(shí)際總體尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示，打印尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的誤差控制在誤差允許范圍內(nèi)。在打印效果上，除部分Kelvin結(jié)構(gòu)存在少許多余吐絲或成型不夠完善的現(xiàn)象，大多打印效果良好，與設(shè)計(jì)初始的效果一致，故可用于后續(xù)的壓縮測(cè)試試驗(yàn)。

圖11 3D打印TPU材料的Kelvin結(jié)構(gòu)（不同尺寸等級(jí)）

圖12 3D打印TPU材料的Kelvin結(jié)構(gòu)（不同相對(duì)密度）

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 Kelvin結(jié)構(gòu)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1.1 不同尺寸等級(jí)、相對(duì)密度的緩沖結(jié)構(gòu)壓縮性能

選擇以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元，尺寸等級(jí)分別為疏、中、密，相對(duì)密度為40%以及相對(duì)密度分別為17%、40%、71%且尺寸等級(jí)為中的緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮性能測(cè)試。圖13為以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的不同尺寸等級(jí)緩沖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線，圖14為以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的不同相對(duì)密度緩沖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。將Kelvin結(jié)構(gòu)的壓縮過(guò)程劃分為線彈性階段、屈服階段、平臺(tái)階段和密實(shí)階段4個(gè)部分。

整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理不同規(guī)格的Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)力學(xué)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖15。

圖13 以Kelvin為基本單元緩沖結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線（不同尺寸規(guī)格）

圖14 以Kelvin為基本單元緩沖結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線（不同相對(duì)密度）

圖15 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

由圖15可知，所設(shè)計(jì)的不同尺寸規(guī)格、不同相對(duì)密度的Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)在單軸壓縮的情況下，具備良好的壓縮回彈性能。在相對(duì)密度或尺寸等級(jí)逐漸增大時(shí)，其壓縮應(yīng)力也增大，整體的能量損失率在60%左右。

3.1.2 壓縮變形分析

為更詳細(xì)地分析不同規(guī)格緩沖結(jié)構(gòu)的壓縮變形情況，選擇一組對(duì)所設(shè)計(jì)的試樣進(jìn)行壓縮。在一個(gè)壓縮循環(huán)內(nèi)，當(dāng)試樣的應(yīng)變達(dá)到20%、40%、60%時(shí)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的試樣側(cè)面進(jìn)行拍攝，整理壓縮過(guò)程見(jiàn)圖16。

對(duì)于以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)，在應(yīng)變不斷增加的過(guò)程中，上表面施加應(yīng)力導(dǎo)致的屈服逐漸由上下邊緣位置向中間傳遞（圖16a）。在相對(duì)密度較低的情況下，會(huì)產(chǎn)生方向上的旋轉(zhuǎn)位移，即發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，而在相對(duì)密度較高的情況下，隨著壓縮試驗(yàn)的進(jìn)行，其在水平方向上會(huì)產(chǎn)生位移導(dǎo)致左右輪廓膨起，當(dāng)相對(duì)密度和尺寸等級(jí)居中時(shí)，試樣未發(fā)生明顯的失穩(wěn)情況。

3.2 Kelvin結(jié)構(gòu)與正六邊形柱體試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

靜態(tài)、動(dòng)態(tài)材料本構(gòu)關(guān)系往往通過(guò)靜態(tài)壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線、動(dòng)態(tài)峰值加速度–靜應(yīng)力曲線[17]表示。二者分別通過(guò)電子材料試驗(yàn)機(jī)壓縮試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。材料緩沖吸能特性評(píng)估包括緩沖曲線、Janssen因子J、Rusch曲線、能量吸收?qǐng)D等。能量吸收?qǐng)D主要表示緩沖材料收到的應(yīng)力和吸收能量之間的關(guān)系。由前文可知相對(duì)密度為40%的Kelvin緩沖結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能較好，故為進(jìn)一步驗(yàn)證以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，補(bǔ)充設(shè)計(jì)以正六邊形為基本單元的相對(duì)密度為40%的緩沖結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)緩沖結(jié)構(gòu)基本單元示意圖、3D打印實(shí)物見(jiàn)圖17。

對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，壓縮至零件密實(shí)狀態(tài)，記錄并整理力–位移曲線，獲得能量吸收曲線見(jiàn)圖18—19。

由圖18、圖19可知，2種結(jié)構(gòu)的能量吸收曲線仍然滿足，4個(gè)典型的特征階段，即線彈性階段、屈服階段、平臺(tái)階段、密實(shí)階段。在靜態(tài)壓縮的過(guò)程中，分析2類結(jié)構(gòu)的肩點(diǎn)坐標(biāo)，可發(fā)現(xiàn)以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)肩點(diǎn)位置均在以正六邊形為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)的左下側(cè)，則說(shuō)明以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)的能量吸收總量小于正六邊形為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)。由圖18、圖19可知，對(duì)比分析線性階段兩曲線對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)，可得在線彈性階段，以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)的斜率大于以正六邊形為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)的斜率，即說(shuō)明在吸收相同的能量的情況下，以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較小。

圖17 3D打印TPU材料的正六邊形結(jié)構(gòu)（相對(duì)密度為40%）

圖18 以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)的能量吸收曲線

圖19 以正六邊形為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)的能量吸收曲線

4 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維建模及3D打印完成實(shí)體成型。為比較其能量吸收能力，補(bǔ)充設(shè)計(jì)了以正六邊形為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，可得出如下結(jié)論。

1）對(duì)于不同尺寸等級(jí)、相同相對(duì)密度的緩沖結(jié)構(gòu)，隨著尺寸大小的逐漸變密，以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)出了先遞減再遞增的趨勢(shì)。其中壓縮回彈率始終保持在90%以上，且中等尺寸等級(jí)的Kelvin基本單元結(jié)構(gòu)擁有較小的能量損失率、較小的應(yīng)力、較高的壓縮回彈率。對(duì)于不同相對(duì)密度，相同尺寸等級(jí)的緩沖結(jié)構(gòu)，隨著相對(duì)密度的逐漸增大，以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)的壓縮回彈率逐漸減小，最大應(yīng)力值逐漸增加，能量損失率也逐漸增加。

2）通過(guò)壓縮過(guò)程緩沖結(jié)構(gòu)的受力變形可知，對(duì)于以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)，在壓縮的過(guò)程中，其受力變形由上下邊緣向中間傳遞。除相對(duì)密度為17%的緩沖結(jié)構(gòu)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變化外，其余均因受壓而彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致部分緩沖結(jié)構(gòu)側(cè)面發(fā)生膨起，無(wú)其他明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象。

3）以正六邊形、Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的中等尺寸等級(jí)、不同相對(duì)密度的緩沖結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比能量吸收曲線可知，雖然以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)吸能總量小于以正六邊形為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)吸能總量，但在吸收相同能量的情況下，以Kelvin結(jié)構(gòu)為基本單元的緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小。

TPU材料是近年來(lái)備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的一種新穎的材料，Kelvin結(jié)構(gòu)應(yīng)用于緩沖防護(hù)也是一個(gè)較新穎的領(lǐng)域。由于國(guó)內(nèi)外研究尚處于發(fā)展階段，因此文中研究也處于摸索階段中。希望隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)新型的緩沖結(jié)構(gòu)也逐漸增多，有關(guān)于Kelvin結(jié)構(gòu)的緩沖也有相對(duì)應(yīng)的具體應(yīng)用。

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Cushioning Performance of Kelvin Structure Based on TPU Material

YU Min, ZHOU Bin, ZHENG Yin-huan

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430000, China)

The work aims to explore the cushioning performance of Kelvin structure based on TPU material and provide a new solution for packaging cushioning and vibration reduction. Kelvin structures and regular hexagonal structures of different sizes and specifications were designed, 3D printing was adopted to complete the solid molding and mechanical compression test was carried out for comparative analysis. Kelvin structure based on TPU material had better compression resilience. With the continuous increase of relative density and size grade, the maximum stress increased correspondingly. In case of medium size specifications, the mechanical properties were the best. In case of absorbing the same energy, the stress of the Kelvin structure based on TPU material was less than that of the regular hexagonal structure. Kelvin structure based on TPU material has better mechanical properties and a certain degree of engineering adaptability.

Kelvin structure; experimental test; mechanical properties

TB485.1

A

1001-3563(2022)17-0082-11

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.011

2021–10–15

工信部工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程項(xiàng)目（TC19084DY）

于敏（1997—），女，碩士生，主攻包裝的緩沖與減振。

周斌（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃臁⒐收显\斷與分析、運(yùn)輸包裝。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋