跌落碰撞的虚拟仿真分析

2013-06-13 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

现有蜂窝纸制芯设备简陋,导致在生产蜂窝纸芯过程中出现不规则六边形纸芯结构的现象,运用虚拟仿真技术分析了不规则蜂窝纸的跌落碰拴过程。首先在三维软件中建立了几种相同周长但不同胶边值的蜂窝纸模型,导入有限元软件MSC.Patran/Nastran设置相应的蜂窝纸材料参数,并运用模态分析技术生成蜂窝纸柔性体文件,在动力仿真软件MSC.ada。实现刚体和柔性体结合的动态缓冲分析,最后得到相应的分析结果有助于分析不规则蜂窝纸的缓冲能力。

0引言

冲击是产品运输过程及仓储中经常遇到的一种现象,如人工搬运及装卸中出现的包装件跌落,起吊货物从高处落下,野蛮装卸时将货物抛掷,运输车辆的起动和刹车、飞机的着陆等都会产生冲击叹因此在可能出现的条件下选择具有一定缓冲能力且环保的包装材料来保证产品的运输安全变得非常重要。蜂窝纸板具有质量轻、强度大、韧性与回弹性好等特点,是一种环保型缓冲材料,它大量应用于建筑行业、包装运输业、殡葬业、农业等。

据市场调查,目前国内蜂窝纸由于上胶设备简陋,加工完成的蜂窝纸边长出现了不等距现象,从而实际得到的蜂窝纸芯结构很难保证正六边形结构.如图1所示。这种结果能否对蜂窝纸缓冲性能造成影响值得我们的关注,目前国内还没做出类似的分析。

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本文结合MSC.Nastran和MSC.Adams并采用模态应力恢复方法计算动态应力时间历程,在保证纸芯面积一定的情况下提出了六种相同周长不同胶边值的蜂窝纸芯结构,完成它们的跌落碰撞分析。

    1蜂窝纸芯的成型过程介绍

蜂窝纸芯的成型过程如图2所示,蜂窝原纸在一定形式下通过粘贴拉伸后形成蜂窝纸结构。具体方法为:每层压纸加工后的纸按照一定的规律粘贴起来,展开后两胶条之间的距离为孔。第二层涂胶位置与第一层错开,即第二层胶条的位置相对于第一层胶条间隔的中间,反过来第一层胶条间隔的中间,反过来第一层胶条的位置恰好是第二层胶条间隔的中间。重复涂胶,奇数层与第一层涂胶的位置相同;偶数层与第二层涂胶的位置相同。展开后就可以得到蜂窝纸芯。

在图2中,定b为形状系数,a为蜂窝纸边长。当b=1时,为标准的正六边形蜂窝纸;当6<1时,上胶粘结边短,形成扁六边形蜂窝纸;当b>1时,上胶粘结边长,形成长六边形蜂窝纸。

    2跌落碰撞的动力学模型

包装系统是由包装件、产品和辅助物等组成的静态组合体,以适应产品在流通环境中遇到的各种危害因素的影响,并对产品进行动态的包装防护过程。

包装系统的跌落碰撞力学模型由图3所示,该模型忽略缓冲包装模型的重量,箱内物品用质量块m代替,箱内缓冲垫简化为弹簧,系统阻尼与冲击力相比可以忽略不计。令蜂窝纸包装物体离地面高为h,弹簧缓冲系数为k,包装物体落地后蜂窝纸产生的位移变化为x。

冲击过程力学方程由如图3可知:

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3蜂窝纸跌落仿真模型分析

    3.1蜂窝纸模型的建立

(1)生成模态中性文件

仿真软件ADAMS的自动划分网格能力较弱,采用了有限元软件Patran建立蜂窝纸分析模型,如图4所示,其中周长为36mm。胶边值分别为2mm,4mm , 6mm , 8mm , 10mm和12mm,在求解器MSC.Nastran生成与MSC.ADAMS相匹配的数据交换文件-模态中性文件(*.mnf )

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(2)在仿真软件ADAMS建立含有柔性体的多体动力学模型。

按要求选取典型工况进行动力学仿真,承载物体与蜂窝纸固定,并与地面保持着一定高度。图5为蜂窝纸缓冲分析模型,其中设置了接触和约束。

    3.2蜂窝纸跌落碰撞过程

规则蜂窝纸(胶边值为6mm)的跌落碰撞过程为图6中所示,其中蜂窝纸和承载物固定,跌落高度为40mm。图7为蜂窝纸在运动过程中的变形情况,横坐标为时间,纵坐标为位移。可见在第一次与地面碰撞时蜂窝纸产生的压缩较大。随着跌落高度的降低,压缩距离变小,与地面碰撞周期不断减小,最后达到稳定。

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图8中为承载物路径变化情况。横坐标为时间,纵坐标为位移,由此可见跌落高度在碰撞后大幅变小。从中可知蜂窝纸缓冲能力带来的影响。

与以上分析类似,可得到其它蜂窝纸模型的跌落碰撞过程与分析结果。图9显示了胶边值对蜂窝纸加速度的变化,也是间接观察传递给蜂窝纸。加速度越小,缓冲性能越好。六张图分别对应着胶边值为2mm,4mm,6mm,8mm, 10mm和12mm。
在第一次回弹的时候出现的加速度第一个峰值分别为500m/s2, 225m/s2, 350m/s2, 800m/s2,1200m/s2和1500/ls2。由此发现随着胶边值的增加缓冲性能先趋向于良好随后变差.当胶边值为4mm左右的位置缓冲性能最好,随后缓冲性能开始大幅度变差,即蜂窝纸距离胶边值在4mm左右位置越大动态缓冲性能越差。同时缓冲性能越差,缓冲时间越短。

对以上蜂窝纸分析结果进行比较后得到如图10所示的变化曲线,在第一次跟地面接触缓冲时,随着胶边值的变大,缓冲能力先增加后降低。可见纸芯结构的不规则程度对蜂窝纸的缓冲性能影响较大。

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4结论

实际生产蜂窝纸芯过程中由于制芯设备简陋或缺陷等影响,导致纸芯六边形结构并不一定是所公认的正六边形形状。本文从此出发分析这种现状是否对蜂窝纸的缓冲性能有影响,并从它的跌落碰撞过程中去分析。建立几种相同周长不同胶边值的蜂窝纸模型,导人有限元软件MSG.Patran/Nastran设置相应的蜂窝纸材料参数,并运用模态分析技术生成蜂窝纸柔性体文件,在动力学仿真软件MSC.adams实现刚体和柔性体结合的动态缓冲分析,并得到相应的分析结果。结果发现蜂窝纸跌落过程中还受到纸芯内部空气、胶水等影响,所分析的模型忽略了这些影响因素,因此需要进一步提高模型的实际化。

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