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1、浙江大学硕士学位论文典型脉冲激励下包装系统损坏边界的确定与分析姓名：宋超申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：王振林20030401浙江大学硕士学位论宠( 2 0 0 3j摘要本文针对包装动力学的核心趣题之一包装系统憋损坏边爨涟怒进行了相关的探讨。论文研究了两种典型脉冲激励下的非线性包装系统的加速度损坏边界及其影响因素，总结了求解加速度损坏边赛问题鲍一般思路；针对包装系绞的位移损坏边弊，文中首次运用解析法确定了半正弦波激励下双线瞧包装系统的位移损坏边界，归纳了用解析法解决此类问题的一般过程，同时，本文还对此给出了应用更为广泛懿一魏数馕方法。论文阐述了与包装系统损坏边界相关的几个问题，并羹点
2、就产品易损度的确定进行了比较深入的探讨，提出了测取系统位移易损度及麒相关物理壤试验方法；鲶塞了一季孛髑有限元分橱方法计算产品荔损度毂方法及其实褒过疆，麸纛为文中掇出的计算机模拟分析法确定包装系统损坏边界提供了基础。浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 3 )A B S T R A C TT h i sp a p e rt a l k e da b o u ts o m ep r o b l e mc o r r e l a t e dt ot h eD a m a g eB o u n d a r yo f t h eP a c k a g i n gS y s t e m ，w h i c h
3、i so n eo f m o s ti m p o r t a n tc o n t e n tT h i sp a p e rg a v eag e n e r a lm e t h o dt os o l v et h ea c c e l e r a t ed a m a g eb o u n d a r y ( A D B )o f t h ep a c k a g i n gs y s t e mb yf i n d i n gt h eA D Bo f t w or e p r e s e n t a t i v ep a c k a g i n gs y s t e m su
4、n d e rt y p ew a v eA sf o rt h ed i s p l a c e m e n td a m a g eb o u n d a r y ( D D B ) o ft h ep a c k a g i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rf i s td e f i n e dt h eD D Ao ft h eb i l i n e a rp a c k a g i n gs y s t e mu n d e rh a l f - s i n ew a v ea n do t h e rk i n dp a c k a g i n g
5、s y s t e m sb ya n a l y s i s ，M o r e o v e r , t h ec o u r s eo fs o l v et h i sk i n do fp r o b l e mb ya n a l y s i sw a sg i v e n ，B e s i d e s ，o n en u m e r i c a lm e t h o dw a sa p p l i c a t i o nt od e f i n et h eD D Ao f t h ep a c k a g i n gs y s t e mS e v e r a li n v o l
6、 v e df a c t o r so ft h ed a m a g eb o u n d m - yp r o b l e mw e r es h o w ni nt h i sp a p e r ，A tt h es a m et i m e ，t h ef r a g i l i t yw a sr e s e a r c h e da sai m p o r tf a c t o ra n dt h et e s tm e t h o dw i t hw h i c hg e t st h ed i s p l a c e m e n tf r a g i l i t yw a s
7、f i r s t l yg i v e nM o r e o v e Lt h i sp a p e ra p p l yaw a yt os o l u t i o nt h ef r a g i l i t yw i t hF E Aa st h eb a s eo fs i m u l a t i o na n a l y s i so fd a m a g eb o u n d a r yw i t hac o m p u t e n蘸茳支攀颈学篷凳文( 2 0 0 3 )第一章绪论包髓动力学是一门探索研究产晶包装系统在动态载荷激励下运动规律的应用基础科学。包装动力学的研究，为揭示产
8、品包装设计、保护产品、保护人和环壤提供理论菝捶。基前圭要骚究蠹容毽摇：龟装防叛缓泞理论与技术、产燕强嫠和特性、缓冲材料特性研究及新材料的开发、产晶环境调研与测试以及包装工程方面的些其它力学闷题。本文在前人成果基础上，对包装动力学的核心问题之损螺边赛理论及荚求簿方法簿嚣深入静臻讨。1 。1 包装动力学研究进展1 ，1 1 缓冲包装理论1 9 4 5 年，美国学者M i n d l i n 建立了包装动力学的经典理论I “，论述了包装产瑟在跌藩冲击过程中懿运动纛簿。之蓐戆砭究主凝讨论萃窦密发毯装产燕熬动力学响应。爨于实用性，单自由度缓冲包装理论得到了广泛的研究。然而在疯际工程中，包装产品神类繁多，
9、运输环境复杂多变，银多闻题实际上已经超出了可以雳单鑫由度动力学模登求簿懿蕊畴，须按多鑫囊度薅题或连续变形俸楚瑷，熟热水器等窳电产品包皴、多层堆码包黻箱中产品的搬动特性、瓦楞纸板，发泡凝料动力特槛分享厅等。为此，S c h e l l 提啦按多壹盛发问题分辑弘1 ，认为质量比秘剐凄篦会影响产舞懿裁力濑庭；U r b a n i k 磺究了罐褥嚣携羝籍酌掇动传递率3 4 1 ；奚德昌等讨论了双层产品包装和具有弹性元件产品的防振缓冲问髓等【5 I 。包装动力学趣题的线性化楚褒，方法楚单逑瑗，便于搽求产品包装系统粒动力学基本规律。然丽对予大多数藤题，线佳讫毕凳j 妻于理想，实嚣霹题孛嚣线毪是广泛存在的
10、。所以包装缓冲规律研究只有向非线性领域拓臌才更有实际价值。近年蠲，典型菲线缝缓 申包装系统跌落；孛击巍脉冲滓击响应分褥已经起步，蕊更深层次上在随枫环壤下j 线性缓渖怠装系统的理论研究至今还少有展开。1 1 2 产品易损度釉损坏边界理论研究现状暴损震是豢产品苓发生兹瑗矮谂或功蘸失效辩黪戆承受戆豢大蕊速度蕊。霉渐江大学颟士学位逾文( 2 0 0 3 )用的冲击易损度反映了产品抗冲击能力，是产品冲击强度的一种指标，兼有功能保持能力f 臼描述。对予邀一在包装动力学中重要的产品物理属性，无论用理论分析、经验倍算或直接溺量方法确定产筠菲易事。为茂，1 9 6 8 年N e w t o n 教授掇出了破损边
11、界理论【6 l ，用产品所能经受的典型加速度脉冲冲击的幅值和速度变化量来间接攒述产品的易损度，著 乍出破捩边界曲线( 横坐标为速度变化量，纵搬标为蕊速度瞩值) 。当新受加速度脉冲福值或速度交化量小于褊弊徨，鄯女E 逮度脉冲幅值和速度改变量所构成的坐标点位于损坏边界曲线和坐标轴所确定的区域内时，产熬是安全豹，否则产品就不安全。这一理论为冲击易损度的试验研究提供了基确，具有重要的理论意义。同对籁，L a n s m o s t 公司和N I T S 公司裰继辩发出适用于确定产品破损边界的冲谶试验机。1 9 7 7 年美国图家标准中采用了N e w t o n 躬损坏边赛理论。在测定产器损坏边界麴线
12、对，s e h e l l 建议雳加速度脉冲的平均值取代幅值眈较合理f 2 1 ，采用后峰锯齿加速度冲击阮袋雳矩形加逮度脉冲更接i 酲实际情况，G o f f 和P i e r c e 也曾建议采用半正弦加速艘脉冲来测定产品损坏边界藏线i 7 j 。损坏边界曲线可嘲产品冲击试验测取，也可瞧产品冲击谱维演而得，如汤伯森和王萍等分别推导了詹峰锯齿脉冲激励下的损坏边界曲线8 1 1 9 I 。损坏边界除与产品易援菠有关辨，还与包装系统缓渖穆辩有关，嚣边敷说的损坏边界的撼述都是针对线性缓冲材料情形的。但实际精于包装的缓冲材料太多楚非线性的，豆一般具有强非线性特征。为此，王振林、王志伟等开展了非线性缓冲
13、包装系统产品损坏边器嬲疆究1 ，熬文献【1 1 1 立方线注缓捧惫装系统损坏遮赛麴线等【n j 。损坏边界曲线的骥论是在不同加速度脉冲激励下评价产晶安全性基础E 发展起来的，对于缓冲包装系统的设计具有重要价值。值得关注的是，王振林等在1 9 9 8 年掇爨了位移损坏边器戆概念 拽1 ，提整了N e w t o n 蔹坯边器豹逶爱条传，为包装动力学基础理论的完善提出了新的思路。王志伟最近选取包装系统参数和无量纲跌落冲击速度作为两个评价量，提出了跌落破损边界的概念【”】。振动耱涟规激励怒色装产磊在濂遴蓼凌中经鬻遇到豹，产熬承受援动、璇瓿激励的能力与承受冲击激励的能力通常是不同的。1 9 7 0 年
14、R o u n t r e e 和S a f f o r d 研究了随机振动下导弹仪器的易损度问题【1 4 】，国内宋宝峰于1 9 9 2 年给出了随机激裁下产熬荔臻度夔定义i 捋1 。关于产熬承受菝动联涟撬激裁缝力表征窝包装系统浙旺大学硕士学位论文( 2 0 0 3 )在这两种情况下的动力学响应特征还有待于进一步探索。1 2 易损度和损坏边界的基本概念前一节已经提到，易损度是反映产品牢固程度的重要物理特性，是产品进行结构设计( 或包装设计) 的一项基本参数。准确评价产品的易损度，是实现产品及其包装优化设计水平的有利途径。在本文后面的工作中，作为与损坏边界理论有关的重要问题之一对冲击易损度的确
15、定问题进行了探讨。1 2 1 产品的损伤形式3包装件在流通过程中发生的损伤形式是多种多样的。据统计，经常出现的产品或其零件损伤包捂：元件出现裂纹或断裂、组装件松动或脱开、金属件表面局部塌陷、支撑压垮、部件疲劳损伤等，从力学观点看，以上各种损伤现象，都是由于产品结构或零件材料在受外载作用后的响应参数值( 应力、变形、加速度或位移等) 超过了其容许临界值所致。由此将各种损伤形式归结为以下几类：1 弹性失效和弹性失稳材料可以在简单轴向拉力下发生弹性变形( 符合胡克定律) ，直至应力达到属服强度为止。从屈服点开始，表明材料发生塑性变形，胡克定律不再适合，发生了永久性不可恢复的变形，这就是弹性失效。如果
16、应力超过了强度极限，材料就会发生断裂。当一个结构元件所承受的最大载荷是由元件的刚度决定而不是由其强度来决定时，外载荷的增加可能引起弹性失稳，如欧拉杆的弹性失稳就是一个著名的例子。2 脆性失效和脆性断裂对于像陶瓷、玻璃等一类脆性材料，很少量的变形会导致裂纹产生，成为脆性失效。脆性断裂是指材料在没有明显塑性变形时发生断裂的现象，是由于材料上存在的疵缝扩展成裂纹而发生断裂的。3 疲劳失效如果产品结构内某元件经受的应力循环次数足够大，即使此应力值低于弹性失效应力也可能发生失效，称为疲劳失效。新江大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ，4 。过度变形产龋结构某些元彳牛中，由应力产生的变形也可雒导致一个系统发生故障戏失效，即便此应力水平的数值在容许藏围内也会如此。这种情况往往是在相对 豇移或变形越过了结构设计中允诲酶闽躲藏造成的。1 ，2 2 两种易损度私擐坏边界易损度研究，是镪浆缓冲动力举乃至整个包装力学的核心内容之一。梭包装产箍在流遇中常见静羧锈形式，至今已提盘两种荔损度，邵酸废力( 强度) 为衡量准则的加速度易损腹和以包装产
