宋云雪，閆義偉

泡沫和橡膠組合層狀結(jié)構(gòu)靜態(tài)吸能性能研究

宋云雪，閆義偉

（中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

提出一種新型的泡沫和橡膠組合層狀吸能結(jié)構(gòu)，通過仿真對(duì)比分析該結(jié)構(gòu)靜態(tài)壓縮特性和緩沖性能。采用發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）、三元乙丙橡膠（EPDM）2種材料，以3種不同厚度比（1∶3、1∶1、3∶1）、2種疊置順序進(jìn)行組合構(gòu)建層狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用LS–DYNA進(jìn)行組合層狀結(jié)構(gòu)靜態(tài)壓縮變形特性、吸能特性分析，并與2種材料單獨(dú)壓縮時(shí)的特性作了對(duì)比。2種材料相互組合的層狀結(jié)構(gòu)靜態(tài)壓縮力學(xué)特性、吸能能力與疊置順序無關(guān)，與2種材料的厚度比有關(guān)。組合層狀結(jié)構(gòu)的承載能力、總吸能和平臺(tái)應(yīng)力均優(yōu)于單一EPS的；組合層狀的比吸能優(yōu)于單一EPDM的，比單一EPS的差，是單一EPS比吸能的1/60～1/20。能量吸收率在不同應(yīng)力水平存在差異，調(diào)整EPS或EPDM子層厚度占比可提高組合層狀結(jié)構(gòu)的緩沖效率。EPS和EPDM 2種材料相互組合的層狀結(jié)構(gòu)具有較大的結(jié)構(gòu)承載能力和吸能優(yōu)勢(shì)，可為抗沖擊的緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新思路和參考價(jià)值。

發(fā)泡聚苯乙烯；三元乙丙橡膠；組合層狀結(jié)構(gòu)；靜態(tài)壓縮；吸能性能

發(fā)泡聚苯乙烯（Expandable Polystyrene，EPS）是一種用于包裝的輕型防護(hù)材料，具有質(zhì)量輕、成本經(jīng)濟(jì)、緩沖性能優(yōu)良等突出特點(diǎn)，主要應(yīng)用于各類電器的緩沖包裝、食品包裝等[1]。三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）是一種具有良好的耐老化性、絕緣性、高黏合性的彈性體材料，廣泛應(yīng)用于汽車配件、密封制品、緩沖包裝等領(lǐng)域[2-3]。充分發(fā)揮2種固體材料的各自優(yōu)勢(shì)，研發(fā)一種新式的組合層狀吸能結(jié)構(gòu)，對(duì)提升產(chǎn)品的保護(hù)水平至關(guān)重要。層狀吸能結(jié)構(gòu)是由不同厚度比的EPS和EPDM組合而成的層合結(jié)構(gòu)，通過各子層不同程度的壓縮變形來緩沖和吸收能量。胡俊等[4]試驗(yàn)研究了4種不同密度EPS泡沫壓縮力學(xué)性能，提出了EPS顆粒壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型，并對(duì)不同密度EPS緩沖吸能性能進(jìn)行了評(píng)估。Shah等[5]、Rouillard等[6]分別對(duì)EPS和層狀瓦楞結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)得到了材料的力學(xué)特性曲線。劉曉艷等[7]將EPS和EPE材料進(jìn)行組合試驗(yàn)，得出了組合結(jié)構(gòu)樣式對(duì)緩沖性能的影響規(guī)律。梁秀等[8]通過靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法，研究了泡沫塑料EPS、EPE與瓦楞紙板組合結(jié)構(gòu)的變形特征、力學(xué)性能和緩沖性能。LU等[9]提出了預(yù)測(cè)串聯(lián)復(fù)合緩沖材料壓縮響應(yīng)的虛擬參數(shù)法。潘丹等[10-11]研究了由發(fā)泡聚乙烯（EPE）、瓦楞紙板、蜂窩紙板組合層狀結(jié)構(gòu)的包裝防護(hù)作用，通過試驗(yàn)對(duì)比分析了這類結(jié)構(gòu)在不同壓縮速率下的變形特征和緩沖吸能特性。干年妃等[12]、盧子興等[13]提出了新型聚氨酯組合泡沫緩沖結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和吸能性能均有所提高。于澤明等[14]采用動(dòng)/靜載聯(lián)合同步聲發(fā)射（AE）監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方法得到纖維–礦粉–聚苯乙烯混凝土微觀吸能規(guī)律，并基于響應(yīng)面中心優(yōu)化組合原理得到了吸能性能最優(yōu)化的子材料配比。

傳統(tǒng)的緩沖包裝設(shè)計(jì)大多依據(jù)單一泡沫塑料結(jié)構(gòu)、2種泡沫塑料組合結(jié)構(gòu)、紙板與泡沫塑料組合結(jié)構(gòu)等，忽視了橡膠材料的共同作用。文中通過模擬靜態(tài)壓縮試驗(yàn)分析了發(fā)泡聚苯乙烯泡沫和三元乙丙橡膠組合層狀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，比較了不同組合層狀結(jié)構(gòu)的靜態(tài)吸能特性，為組合層狀結(jié)構(gòu)的緩沖包裝設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 緩沖性能測(cè)試方法

1.1 靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

靜態(tài)壓縮試驗(yàn)參照GB/T8168《包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法》，利用LS–DYNA模擬萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，所有試樣放置在下壓板中心，試樣兩端不固定，試樣與壓板之間粗糙接觸，試驗(yàn)過程中無試樣與壓板發(fā)生相對(duì)滑移的現(xiàn)象，上壓板以恒定速度480 mm/min沿厚度方向進(jìn)行靜態(tài)壓縮。試樣由發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）和三元乙丙橡膠（EPDM）組合而成，EPS密度為12.5 kg/m3，EPDM密度為1 000 kg/m3，選取1∶3、1∶1、3∶1 3種層狀結(jié)構(gòu)厚度比組合。

1.2 緩沖性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)一種結(jié)構(gòu)靜態(tài)緩沖吸能性能的指標(biāo)是多樣的，文中采用總吸能、比吸能SEA、平臺(tái)應(yīng)力m、能量吸收率、行程利用率SE等5個(gè)指標(biāo)來綜合評(píng)價(jià)EPS和EPDM組合層狀結(jié)構(gòu)的緩沖吸能性能[10]。

1）總吸能（Total Energy Absorption），定義為載荷–位移曲線下的面積：

式中：為總吸能；為載荷；為壓縮位移。

2）比吸能SEA（Specific Energy Absorption），即試樣吸收的總能量除以試樣質(zhì)量：

式中：SEA為比吸能；為載荷；為壓縮位移；為試樣質(zhì)量。

3）平臺(tái)應(yīng)力m（Platform Stress），材料在被壓縮密實(shí)化之前承受的平均應(yīng)力：

式中：m平臺(tái)應(yīng)力；為應(yīng)力；d為密實(shí)化應(yīng)變。

4）能量吸收率（Energy Absorption Efficiency），材料壓縮到一定應(yīng)變時(shí)，所吸收的能量與該應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力的比值：

式中：為能量吸收效率；為應(yīng)力；為應(yīng)變。

5）行程利用率SE（Stroke Efficiency），表示試樣密實(shí)化之前的位移量和厚度的比值：

式中：SE為行程利用率；Δ為壓縮位移量；為試樣厚度。

2 基于有限元方法的數(shù)值模擬

2.1 模型建立

緩沖結(jié)構(gòu)模型一共有5種，包括3種不同厚度比的組合層狀結(jié)構(gòu)模型和2種單一結(jié)構(gòu)模型。模型均是規(guī)則的方體結(jié)構(gòu)，上、下面結(jié)構(gòu)尺寸均為120 mm×120 mm，組合結(jié)構(gòu)和單一結(jié)構(gòu)總厚度均為60 mm，使用CATIA建立模型。組合順序分為2種，一種為EPS置于上層、EPDM置于下層，稱為FR順序，F(xiàn)R順序的厚度比用FR表示；另一種為EPDM置于上層，EPS置于下層，稱為RF順序，RF順序的厚度比用RF表示。EPS與EPDM單獨(dú)受壓縮時(shí)分別用F=1和R=1表示。

在Hypermesh中劃分網(wǎng)格，整個(gè)模型使用實(shí)體單元進(jìn)行建模，經(jīng)驗(yàn)證剛度較低的材料使用六面體單元和缺省單元類型1在計(jì)算中易出現(xiàn)負(fù)體積現(xiàn)象，從而中止計(jì)算。為了避免這一現(xiàn)象，使用四面體單元和單元類型10建模，并配合基于黏性的沙漏模式2，使得計(jì)算穩(wěn)定性大幅提高。2種材料成功組合的關(guān)鍵在于結(jié)合位置實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)耦合以有效傳力。通過布爾運(yùn)算合并組合層狀模型結(jié)合面，網(wǎng)格劃分時(shí)在結(jié)合面位置默認(rèn)為共節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)2種材料之間相互組合。

2.2 材料模型的確定

2.2.1 發(fā)泡聚苯乙烯泡沫模型

泡沫材料模型一直是仿真難點(diǎn)，目前常用模型有MAT53_CLOSED_CELL_FOAM、MAT57_LOW_ DENSITY_FOAM、MAT63_CRUSHABLE_FOAM等，其中MAT63材料用于模擬時(shí)可以忽略循環(huán)特性的各向同性泡沫，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）力學(xué)特性敘述，以及單軸壓縮無循環(huán)特性的特點(diǎn)，擬采用MAT63號(hào)模型作為EPS的數(shù)學(xué)模型。EPS材料模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[5]中的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 發(fā)泡聚苯乙烯材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of expandable polystyrene

2.2.2 三元乙丙橡膠模型

LS–DYNA中橡膠材料模型有MAT7_BLATZ–KO、MAT27_MOONEY–RIVLIN、MAT77_OGDEN模型等，其中MAT27是目前工程上使用最廣泛的模型，選擇MAT27號(hào)材料模型作為三元乙丙橡膠（EPDM）仿真材料模型。EPDM材料模型參數(shù)源于文獻(xiàn)[15]中的數(shù)據(jù)，如表2所示。

2.3 邊界條件的確定

LS–DYNA中可以用剛性墻模擬壓縮試驗(yàn)機(jī)的上、下壓板，由關(guān)鍵字*RIGIDWALL控制，上壓板是動(dòng)壓板，通過*RIGIDWALL_GEOMETRIC_ FLAT_ MOTION確定初始位置與運(yùn)動(dòng)速度，上壓板初始位置與組合層狀結(jié)構(gòu)上表面位置一致，運(yùn)動(dòng)方向垂直于組合層狀結(jié)構(gòu)指向下壓板，運(yùn)動(dòng)速率為480 mm/min（應(yīng)變率為0.133 s?1）；下壓板是靜壓板，由關(guān)鍵字*RIGIDWALL_PLANAR確定初始位置并限制自由度，下壓板初始位置與組合層狀結(jié)構(gòu)下表面一致，默認(rèn)限制其全部自由度。

表2 三元乙丙橡膠（EPDM）材料參數(shù)

Tab.2 Material parameters of ethylene propylene diene monomer (EPDM)

3 結(jié)果與分析

3.1 壓縮變形特征

求解結(jié)果記錄的載荷與位移數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到單一結(jié)構(gòu)和組合層狀結(jié)構(gòu)的壓縮工程應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，見圖1。圖1a為計(jì)算得出的單一EPS力學(xué)特性與文獻(xiàn)[5]對(duì)比圖，可以看出兩者高度吻合。緩沖結(jié)構(gòu)在靜態(tài)壓縮作用下的形變過程如表3所示，該數(shù)據(jù)體現(xiàn)出組合層狀結(jié)構(gòu)逐層壓縮的變形特征。

圖1b反映了不同組合順序的層狀結(jié)構(gòu)和單一結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。EPDM在壓縮時(shí)應(yīng)力隨應(yīng)變接近線性變化，在應(yīng)變約0.43時(shí)達(dá)到峰值應(yīng)力1.16 MPa，說明三元乙丙橡膠在壓縮時(shí)始終處于彈性變形階段。EPS單一結(jié)構(gòu)及組合層狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化，其特性大致分為3個(gè)階段：第1個(gè)階段為線彈性階段，材料表現(xiàn)出較好的彈性；第2個(gè)階段為塑性平臺(tái)階段，隨著載荷增加，材料開始發(fā)生彈性屈曲變形，隨后曲線呈現(xiàn)出較長的平臺(tái)階段，且應(yīng)力對(duì)應(yīng)變的變化率增長緩慢，意味著材料發(fā)生了較大的塑性變形，此階段是緩沖材料主要吸能階段；第3個(gè)階段為密實(shí)化階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的變化率急劇增大，說明材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受損，對(duì)能量的吸收減小，材料傳遞的應(yīng)力急劇上升[9,16]。在壓縮初期，組合層狀結(jié)構(gòu)的曲線特征與單一EPS結(jié)構(gòu)的基本保持一致，由于EPDM的部分承載作用，組合層狀結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力略微高于單一EPS結(jié)構(gòu)的。除此之外隨著EPDM厚度逐漸增大，塑性平臺(tái)階段越短，幅度越大，表現(xiàn)為在相同應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力隨EPDM厚度增加而增大，意味著相較于單一泡沫結(jié)構(gòu)，組合層狀結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)的承載能力。表3中組合層狀結(jié)構(gòu)特征是EPS位于上層，EPDM位于下層，因此，先是EPS發(fā)生變形，此時(shí)EPDM變形很小，EPS屈曲和密實(shí)化后，EPDM開始發(fā)生屈曲，直至結(jié)構(gòu)密實(shí)。

圖1 緩沖結(jié)構(gòu)靜壓應(yīng)力–應(yīng)變曲線

表3 靜態(tài)壓縮變形過程

Tab.3 Deformation process in static compression

組合層狀結(jié)構(gòu)為FR順序時(shí)，厚度比FR=1/3、FR=1/1、FR=3/1的應(yīng)力–應(yīng)變曲線均分布于F=1與R=1的應(yīng)力–應(yīng)變曲線之間，F(xiàn)R=1/3的應(yīng)力–應(yīng)變曲線更靠近R=1的，F(xiàn)R=1/1的應(yīng)力–應(yīng)變曲線大致介于F=1與R=1的應(yīng)力–應(yīng)變曲線中間，F(xiàn)R=3/1的應(yīng)力–應(yīng)變曲線更靠近F=1的，這表明在EPS與EPDM組合層狀結(jié)構(gòu)在壓縮面積不變的情況下，某種單一材料厚度占比越多，其組合材料應(yīng)力–應(yīng)變曲線越接近于該單一材料單獨(dú)壓縮時(shí)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線，即力學(xué)特性越接近該種單一材料的力學(xué)特性。

組合材料為RF順序時(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線分布與FR順序相類似，厚度比RF=3/1、RF=1/1、RF=1/3的應(yīng)力–應(yīng)變曲線均分布于F=1與R=1的應(yīng)力–應(yīng)變曲線之間，其中RF=3/1與FR=1/3、RF=1/1與FR=1/1、RF=1/3與FR=3/1的應(yīng)力–應(yīng)變曲線完全重合，意味著組合順序并不影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。

3.2 吸能性能對(duì)比分析

3.2.1 總吸能結(jié)果比較

總吸能用來描述緩沖材料或結(jié)構(gòu)對(duì)能量的吸收性。圖2是EPS與EPDM在3種厚度比、2種組合順序下的總吸能曲線圖。從圖2可知，任意緩沖結(jié)構(gòu)的總吸能隨壓縮位移呈增長趨勢(shì)，且幅度變化逐漸增大；組合結(jié)構(gòu)厚度比RF=3/1與FR=1/3、RF=1/1與FR=1/1、RF=1/3與FR=3/1的總吸能對(duì)位移變化規(guī)律幾乎重合，這與不同組合順序、各單一材料厚度占比相同時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律相一致，表明總吸能能力與2種材料厚度占比有關(guān)，與組合順序無關(guān)。基于以上結(jié)論，只需取其中一種順序作后續(xù)分析，以FR順序?yàn)槔?。在壓縮位移相同情況下，總吸能大小關(guān)系為(F=1)<(FR=3/1)<(FR=1/1)<(FR=1/3)<(R=1)，可見組合層狀結(jié)構(gòu)的總吸能相較于單一EPS的更大，且隨著EPDM占比增大而增大。以壓縮位移25 mm的總吸能為例，F(xiàn)R=3/1、FR=1/1、FR=1/3的總吸能值分別是單一EPS的1.20、1.40、2.11倍，說明相較于單一泡沫結(jié)構(gòu)，EPS和EPDM組合結(jié)構(gòu)可以有效提高吸能性能。

圖2 緩沖結(jié)構(gòu)總吸能對(duì)比

3.2.2 比吸能結(jié)果比較

比吸能表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量的能量吸收能力，圖3反映了不同緩沖結(jié)構(gòu)的比吸能情況。不同組合層狀結(jié)構(gòu)比吸能與應(yīng)力之間的變化規(guī)律由結(jié)構(gòu)質(zhì)量及靜態(tài)壓縮時(shí)的總吸能得到，如圖3a所示。組合層狀結(jié)構(gòu)的比吸能隨著應(yīng)力的增加而增加，在彈性階段和塑性屈服階段增幅較大，直至結(jié)構(gòu)出現(xiàn)密實(shí)化之后，增幅有所降低，在應(yīng)力相同的情況下，比吸能大小關(guān)系為SEA(FR=1/3)

圖3 緩沖結(jié)構(gòu)比吸能對(duì)比

3.2.3 平臺(tái)應(yīng)力比較

平臺(tái)應(yīng)力是表征材料或結(jié)構(gòu)能量吸收性能的重要指標(biāo)，材料的變形主要集中于應(yīng)力–應(yīng)變曲線的平臺(tái)階段，平臺(tái)應(yīng)力越大材料吸收的能量越多，在進(jìn)行緩沖包裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增大平臺(tái)應(yīng)力值。組合層狀結(jié)構(gòu)和單一EPS結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力值如表4所示。從表4中可見，組合層狀結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力值均高于單一EPS結(jié)構(gòu)的，且與EPDM橡膠占比呈正相關(guān)，F(xiàn)R=1/3組合層狀結(jié)構(gòu)平臺(tái)應(yīng)力值最大，是單一EPS的1.17倍。

表4 緩沖結(jié)構(gòu)平臺(tái)應(yīng)力值

Tab.4 Platform stress value of buffer structures

3.2.4 能量吸收率比較

緩沖包裝設(shè)計(jì)以盡量少的緩沖材料吸收盡量多的能量為原則，這對(duì)緩沖材料或結(jié)構(gòu)的能量吸收率提出了較高的要求。圖4反映了不同厚度比組合層狀結(jié)構(gòu)在靜態(tài)壓縮條件下的緩沖效率，由圖4可知，不同厚度比組合結(jié)構(gòu)的能量吸收率有所區(qū)別。從整體趨勢(shì)看，能量吸收率曲線可以分為4個(gè)區(qū)：上升區(qū)Ⅰ、平臺(tái)區(qū)Ⅱ、下降區(qū)Ⅲ、上升區(qū)Ⅳ。F=1、FR=3/1、FR=1/1的能量吸收率經(jīng)歷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段；FR=1/3的能量吸收效率經(jīng)歷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段；R=1的能量吸收效率只經(jīng)歷Ⅰ階段。上升區(qū)Ⅰ表示EPS或EPDM發(fā)生彈性變形；平臺(tái)區(qū)Ⅱ?qū)?yīng)應(yīng)力–應(yīng)變曲線塑性平臺(tái)階段，其平臺(tái)區(qū)域長度隨著EPS厚度占比的增大而增大，這與應(yīng)力–應(yīng)變曲線塑性平臺(tái)階段的特性相一致；下降區(qū)Ⅲ是由于結(jié)構(gòu)密實(shí)化增加造成吸能效率顯著下降；存在上升區(qū)Ⅳ的原因是在FR=1/3組合層狀結(jié)構(gòu)中EPS占比過小，EPS先被壓縮至密實(shí)化繼而壓縮EPDM，橡膠的彈性變形導(dǎo)致能量吸收率的增長大于由EPS密實(shí)化導(dǎo)致的能量吸收率的減小，所以整體保持了增長趨勢(shì)，表現(xiàn)出穩(wěn)定的吸能性能。

組合層狀結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力水平下的能量吸收率有所區(qū)別，具體表現(xiàn)為：當(dāng)應(yīng)力<1時(shí)，能量吸收效率大小關(guān)系是(R=1)<(FR=1/3)<(FR=1/1)<(FR=3/1)<(F=1)；當(dāng)應(yīng)力>1時(shí)，EPDM單獨(dú)壓縮的能量吸收效率開始依次超過FR=1/3、FR=1/1、FR=3/1、F=1的能量吸收效率；當(dāng)應(yīng)力>2時(shí)，厚度比FR=1/3的能量吸收效率開始依次超過FR=1/1、FR=3/1、F=1的能量吸收效率；當(dāng)應(yīng)力>3時(shí)，F(xiàn)R=1/1的能量吸收效率開始超過FR=3/1的能量吸收效率。因此，當(dāng)應(yīng)力水平范圍為0<<2時(shí)，提高泡沫的厚度占比對(duì)緩沖吸能效率有明顯優(yōu)勢(shì)；當(dāng)應(yīng)力水平范圍為>2時(shí)，提高橡膠層厚度占比有利于提高緩沖吸能效率。由此可見，可以根據(jù)不同的應(yīng)力水平改變EPS或EPDM子層厚度占比來提高組合層狀結(jié)構(gòu)的緩沖效率，這對(duì)緩沖包裝設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4 緩沖結(jié)構(gòu)靜壓能量吸收率–應(yīng)力曲線

3.2.5 行程利用率比較

行程利用率表示材料作為能量吸收結(jié)構(gòu)的利用率，是一個(gè)無量綱的物理量。從圖5可以看出，單一EPDM結(jié)構(gòu)行程利用率最低，為43.05%；組合層狀結(jié)構(gòu)行程利用率隨著厚度比FR的增大而增大；單一EPS行程利用率最高，達(dá)到93.12%。顯然與單一EPS相比，組合層狀結(jié)構(gòu)能夠有效降低其行程利用率，意味著在一些壓縮空間受限的緩沖場(chǎng)合組合層狀結(jié)構(gòu)具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖5 緩沖結(jié)構(gòu)行程利用率對(duì)比

4 結(jié)語

文中研究分析了EPS、EPDM及其組合層狀結(jié)構(gòu)在靜態(tài)壓縮時(shí)的變形特征和緩沖吸能特性，對(duì)緩沖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義，主要結(jié)論如下：

1）組合層狀結(jié)構(gòu)的靜態(tài)壓縮力學(xué)特性與2種材料的厚度占比有關(guān)，與組合順序無關(guān)。某種單一材料占比越多，其力學(xué)性能越接近于該單一材料的力學(xué)性能，區(qū)別在于隨著EPDM占比越大，組合層狀結(jié)構(gòu)的塑性平臺(tái)階段越來越短，應(yīng)力隨應(yīng)變變化率越來越大，結(jié)構(gòu)的承載能力越高。

2）組合層狀結(jié)構(gòu)的靜態(tài)壓縮吸能特性與2種材料的厚度占比有關(guān)，與組合順序無關(guān)。組合層狀結(jié)構(gòu)的總吸能和平臺(tái)應(yīng)力均高于EPS的，比吸能卻并未表現(xiàn)出與總吸能相一致的規(guī)律。

3）不同組合層狀結(jié)構(gòu)的能量吸收率存在明顯差異。根據(jù)不同應(yīng)力水平改變EPS或EPDM子層厚度占比，可以提高組合層狀結(jié)構(gòu)的緩沖效率。

4）組合層狀結(jié)構(gòu)的行程利用率均高于EPDM的，低于EPS單獨(dú)壓縮的行程利用率，且隨著EPS厚度占比增大而增大。

[1] 都學(xué)飛, 歐陽效卓, 張汪年. EPS緩沖材料的靜態(tài)壓縮性能的試驗(yàn)研究[J]. 包裝工程, 2012, 33(3): 39-41.

DU Xue-fei, OUYANG Xiao-zhuo, ZHANG Wang-nian. Experimental Research on Static Compression Properties of EPS Buffer Material[J]. Packaging Engineering, 2012, 33(3): 39-41.

[2] 林正偉. 濕氣交聯(lián)三元乙丙橡膠結(jié)構(gòu)與性能研究[D]. 青島: 青島科技大學(xué), 2022: 2-3.

LIN Zheng-wei. Study on Structure and Properties of Moisture Crosslinked EPDM[D]. Qingdao: Qingdao University of Science & Technology, 2022: 2-3.

[3] 趙慧暉, 翟月勤, 杜燁, 等. 三元乙丙橡膠(EPDM)評(píng)價(jià)方法的確定[J]. 合成材料老化與應(yīng)用, 2019, 48(1): 34-37.

ZHAO Hui-hui, ZHAI Yue-qin, DU Ye, et al. Determination of the Evaluation Procedure of Ethylene-Propylene- Diene Rubber(EPDM)[J]. Synthetic Materials Aging and Application, 2019, 48(1): 34-37.

[4] 胡俊, 韋璐. 聚苯乙烯泡沫應(yīng)力?應(yīng)變模型及吸能性能研究[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 32(3): 430-434.

HU Jun, WEI Lu. Study on Stress-Strain Model and Energy Absorption Performance of Polystyrene Foam[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2015, 32(3): 430-434.

[5] SHAH Q, TOPA A. Modeling Large Deformation and Failure of Expanded Polystyrene Crushable Foam Using LS-DYNA[J]. Modelling and Simulation in Engineering, 2014(1): 1-7.

[6] ROUILLARD V, SEK M. Behaviour of Mulit-Layered Paperboad Cushioning Systems Under Impact Load[J]. Strain, 2007, 43(4): 345-347.

[7] 劉曉艷, 鄭華明, 曹國榮. EPS與EPE組合使用的力學(xué)性能研究[J]. 包裝工程, 2006, 27(6): 17-18.

LIU Xiao-yan, ZHENG Hua-ming, CAO Guo-rong. Study of the Mechanical Performance of EPS and EPE Combination[J]. Packaging Engineering, 2006, 27(6): 17-18.

[8] 梁秀, 王玉龍, 王柳. 泡沫塑料/瓦楞紙板組合結(jié)構(gòu)的緩沖性能[J]. 包裝工程, 2016, 37(15): 129-133.

LIANG Xiu, WANG Yu-long, WANG Liu. Cushioning Performance of Foam/Corrugated Board Composite Structure[J]. Packaging Engineering, 2016, 37(15): 129-133.

[9] LU Fu-de, LIU Xiong-jian, GAO De. Compression Response of Composite Cushioning Materials in Series by Virtual Parameter Methods[J]. Packaging Technology and Science, 2015, 28(10): 901-914

[10] 潘丹, 郭彥峰, 付云崗, 等. 紙夾芯和泡沫復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)的靜態(tài)緩沖吸能特性研究[J]. 工程力學(xué), 2019, 36(2): 249-256.

PAN Dan, GUO Yan-feng, FU Yun-gang, et al. Static Cushioning and Energy Absorption of Composite Layered Structures with Paper Sandwich Core and Plastic Foam[J]. Engineering Mechanics, 2019, 36(2): 249-256.

[11] 鐘玲珠, 陳安軍. EPE/EPS與蜂窩紙板組合靜態(tài)緩沖性能的研究[J]. 包裝工程, 2013, 34(9): 36-39.

ZHONG Ling-zhu, CHEN An-jun. Study on Static Cushion Performance of EPE/EPS and Honeycomb Paperboard Combination[J]. Packaging Engineering, 2013, 34(9): 36-39.

[12] 干年妃, 王多華, 馮亞楠, 等. 聚氨酯泡沫填充的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料錐管吸能性能數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 中國機(jī)械工程, 2018, 29(5): 609-615.

GAN Nian-fei, WANG Duo-hua, FENG Ya-nan, et al. Numerical Simulation and Experimental Verification of Energy Absorption Performance of PU Foam Filled CFRP Cone Tubes[J]. China Mechanical Engineering, 2018, 29(5): 609-615.

[13] 盧子興, 嚴(yán)寒冰, 王建華. 聚氨酯復(fù)合泡沫塑料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能[J]. 中國塑料, 2004, 18(2): 31-34.

LU Zi-xing, YAN Han-bing, WANG Jian-hua. Mechanical Properties of Polyurethane Syntactic Foams under Quasi-Static Compression[J]. China Plastics, 2004, 18(2): 31-34.

[14] 于澤明, 陳艷, 馬嶸萍等. 動(dòng)/靜荷載作用纖維–礦粉–聚苯乙烯混泥土吸能特征研究[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2021, 35(S2): 669-677.

YU Ze-ming, CHEN Yan, MA Rong-ping et al. Study on Energy Absorption Characteristics of BF-SP-EPS Concrete Under Dynamics/Static Load[J]. Materials Reports, 2021, 35(S2): 669-677.

[15] 申展, 陳東, 羅俊杰. 聚乙烯泡沫緩沖系統(tǒng)跌落沖擊過載仿真分析[J]. 包裝工程, 2016, 37(19): 128-131.

SHEN Zhan, CHEN Dong, LUO Jun-jie. Simulation and Analysis of Dropping Impact Acceleration of Polyethylene Foam Buffer System[J]. Packaging Engineering, 2016, 37(19): 128-131.

[16] 王波, 吳本英, 周錫武, 等. 閉孔泡沫鋁準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)及吸能特性研究[J]. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2022, 40(2): 29-35.

WANG Bo, WU Ben-ying, ZHOU Xi-wu, et al. Study on Quasi-Static Compression Test and Energy Absorption Characteristics of Closed-Cell Aluminum Foam[J]. Journal of Foshan University (Natural Science Edition), 2022, 40(2): 29-35.

Static Buffering Energy Absorption Performance of Foam and Rubber Composite Lamellar Structures

SONG Yun-xue, YAN Yi-wei

(College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Thework aims to propose a new type of foam and rubber composite lamellar energy absorption structure and analyze its static compression characteristics and buffering performance by simulation. The structure was composed of expandable polystyrene (EPS) and ethylene propylene diene monomer (EPDM) with three different thickness ratios (1∶3, 1∶1, 3∶1) and two kinds of stacking order. The results of its static compression deformation characteristics and energy absorption capacity were analyzed by LS-DYNA and compared with those of the two materials compressed separately. Both static compression deformation characteristics and energy absorption capacity of the two materials were unrelated to the stacking order, but only to the thickness ratio of the materials. Its bearing capacity, total energy absorption and platform stress were higher than single EPS, but the value of its specific energy absorption was between two single materials. It was 1/60-1/20 of that of single EPS. The buffering efficiency of composite lamellar structures varied at different stress levels, which could be improved by changing the proportion of EPS or EPDM sublayer thickness. The lamellar structure combining EPS and EPDM has certain advantages of bearing capacity and energy absorption, which provides a new idea and reference value for the design of buffer system against impact.

expandable polystyrene; ethylene propylene dene monomer; composite lamellar structure; static compression; buffer performance

TB484.3

A

1001-3563(2023)05-0255-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.05.032

2022?10?10

宋云雪（1968—），女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)楹娇者\(yùn)輸過程仿真與智能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、故障診斷與結(jié)構(gòu)修理、專家系統(tǒng)、知識(shí)表示。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋