包装动力学是研究包装件对流通过程中的振动与冲击环境的响应课件

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1、第二章第二章包装动力学与流变学基本概念包装动力学与流变学基本概念n引起包装件破损的主要原因是流通过程中的冲击和振动。引起包装件破损的主要原因是流通过程中的冲击和振动。n包装动力学包装动力学是研究包装件对流通过程中的振动与冲击环是研究包装件对流通过程中的振动与冲击环境的响应，分析内装产品在振动与冲击环境激励下破损境的响应，分析内装产品在振动与冲击环境激励下破损的原因，并在经济的前提下提出防止内装产品破损的条的原因，并在经济的前提下提出防止内装产品破损的条件，其任务是为缓冲设计提供依据。件，其任务是为缓冲设计提供依据。GB/TGB/T2298229819911991机械振动与冲击机械振动与冲击术语

2、术语n机械冲击机械冲击：系统受到瞬态激励，其力、位移、速度、加：系统受到瞬态激励，其力、位移、速度、加速度发生速度发生突然变化突然变化的现象。的现象。n突然变化突然变化：指在比系统的固有周期短得多的时间内发生：指在比系统的固有周期短得多的时间内发生的变化。的变化。第一节第一节 包装动力学概念包装动力学概念什么是包装动力学什么是包装动力学？n冲击的特点冲击的特点：（1 1）冲击是骤然的、剧烈的能量释放、能量转换和能量）冲击是骤然的、剧烈的能量释放、能量转换和能量传递。传递。（2 2）冲击的持续时间很短。）冲击的持续时间很短。（3 3）冲击过程一次性完成，不呈现周期性。）冲击过程一次性完成，不呈现

3、周期性。流通过程中常见的两类冲击情况：流通过程中常见的两类冲击情况：n跌落冲击跌落冲击：如搬运、装卸、仓储、：如搬运、装卸、仓储、野蛮包装野蛮包装（？）等（？）等n水平冲击水平冲击：运输工具起动和刹车等。：运输工具起动和刹车等。n 在冲击瞬间，包装件承受很大的冲击加速度作用。若包在冲击瞬间，包装件承受很大的冲击加速度作用。若包装件强度低，则可能出现破损。装件强度低，则可能出现破损。n振动振动：机械系统中运动量的振荡的现象。：机械系统中运动量的振荡的现象。n振荡振荡：相对给定的参考系，一个随时间变化的量值与其平：相对给定的参考系，一个随时间变化的量值与其平均值相比，时大时小交替变化的现象。均值相

4、比，时大时小交替变化的现象。n机械振动机械振动：指具有质量和弹性的物体或系统在其平衡位置指具有质量和弹性的物体或系统在其平衡位置附近作来回往复运动的过程。如包装件的振动问题等。附近作来回往复运动的过程。如包装件的振动问题等。需要研究的需要研究的n振动是由振动是由振源振源向振动系统输入信号，系统所作的向振动系统输入信号，系统所作的响应响应。n激励（振源）：促使物体振动的各种外因激励（振源）：促使物体振动的各种外因n阻尼：阻碍物体振动的因素，如空气的阻力，材料的内阻，阻尼：阻碍物体振动的因素，如空气的阻力，材料的内阻，物体之间的摩擦等。物体之间的摩擦等。n机械振动分类机械振动分类 按微分方程分：按

5、微分方程分：线性振动线性振动，非线性振动，非线性振动 按按自由度自由度分：分：单自由度系统单自由度系统，多自由度系统，弹性体系，多自由度系统，弹性体系统（统（连续介质系统，无限自由度）连续介质系统，无限自由度）按输入分：自由振动，按输入分：自由振动，强迫振动强迫振动，自激振动，自激振动按振动规律分：按振动规律分：周期振动周期振动，随机振动，随机振动按振动方向分：按振动方向分：垂直振动垂直振动，水平振动，倾斜振动，扭转，水平振动，倾斜振动，扭转振动振动第三章目录第三章目录n动力学是研究系统动态行为的学科。包括已动力学是研究系统动态行为的学科。包括已知振源和系统动态特性，求系统响应；已知知振源和系

6、统动态特性，求系统响应；已知系统动态特性和响应求系统输入；已知系统系统动态特性和响应求系统输入；已知系统的输入和输出来确定系统动态特性（模态分的输入和输出来确定系统动态特性（模态分析，系统识别）。析，系统识别）。一、力和加速度（一、力和加速度（P.9P.9）牛顿定律：牛顿定律：代数量形式：代数量形式：无量纲表达式：无量纲表达式：nG 表示物体加速度与重力加速度的倍数，也表示合外力与表示物体加速度与重力加速度的倍数，也表示合外力与重力的倍数。重力的倍数。G 因子是极为重要的量。因子是极为重要的量。G 因子因子?Famvv=n运输包装中往往用运输包装中往往用G 值表示加速度，值表示加速度，Gm表示

7、产品产生表示产品产生的最大加速度，的最大加速度，Gc 表示易损件所允许的最大加速度。表示易损件所允许的最大加速度。n保证包装件保证包装件不失去原有功能不失去原有功能或或不发生破损的条件：不发生破损的条件：R.D.Mindlin19451945年提出年提出19611961年年P.E.FranlinP.E.Franlin和和 M.T.HataeM.T.Hatae提到了易损度的定义，即提到了易损度的定义，即装备品抵抗冲击与振动的能力，强度指标。装备品抵抗冲击与振动的能力，强度指标。Gc称为脆值或产品的称为脆值或产品的易损度易损度。Fragilityn 注意：关于重力加速度，重视各地的差异。尤其是注意

8、：关于重力加速度，重视各地的差异。尤其是对于贵重的、大宗货物的国际间贸易对于贵重的、大宗货物的国际间贸易。二、力的时间效应二、力的时间效应n动量定理动量定理有什么条件？有什么条件？n 速度变化量等于加速度曲线与时间间隔（速度变化量等于加速度曲线与时间间隔（t=t2-t1=）所围面积，是加速度及时间间隔的函数。所围面积，是加速度及时间间隔的函数。n力的时间效应取决于三个要素：力的时间效应取决于三个要素：曲线形状（波形），最大曲线形状（波形），最大值值Gm（峰值），时间间隔（峰值），时间间隔 t t。力在时间间隔内的效应（冲量）等力在时间间隔内的效应（冲量）等于动量的改变。于动量的改变。力与速度方

9、向一致力与速度方向一致n当当Gm、t t已确定，由积分可得到不同已确定，由积分可得到不同波形波形所围成的所围成的面积面积V V。常见波形常见波形a.矩形波矩形波b.b.半正弦波半正弦波c.正矢波正矢波d.d.三角形波三角形波注意注意P P011011的一段话的一段话三、力的位移效应三、力的位移效应1 1、功、功n重力功重力功:n弹性功弹性功:2 2、势能、势能 （取决于高度差，与路径无关）（取决于高度差，与路径无关）（取决于运动的始末位置，与路径无关（取决于运动的始末位置，与路径无关)n 有势力：如果作用在物体上的力所做之功仅与力作用点有势力：如果作用在物体上的力所做之功仅与力作用点的起始位置

10、和终了位置有关，而与其作用点经过的路径无的起始位置和终了位置有关，而与其作用点经过的路径无关，这种力称为有势力或保守力。关，这种力称为有势力或保守力。n 势能：物体由某位置到选定的零势面，有势力所做的的势能：物体由某位置到选定的零势面，有势力所做的的功。功。可正、可负，又可能为零。可正、可负，又可能为零。机械能守恒机械能守恒3 3、不同作业方式下的变形不同作业方式下的变形A.A.物体重量物体重量W缓慢释放，变形速度缓慢释放，变形速度13mm/13mm/minmin(即在外力坚持下，重力由零至全部缓慢加载到弹性材料上即在外力坚持下，重力由零至全部缓慢加载到弹性材料上)，设完全释放时材料的变形为，

11、设完全释放时材料的变形为 ，从机械能守恒或力的平衡，从机械能守恒或力的平衡可得可得 B.B.重量重量W W突然释放突然释放C.C.重量在弹性材料上方重量在弹性材料上方h h 高度跌落高度跌落重量为重量为W 的物体支撑于某弹性材料上，设承载的物体支撑于某弹性材料上，设承载面积为面积为A，材料的弹性刚度为，材料的弹性刚度为k最大弹性力：最大弹性力：最大加速度：最大加速度：G因子的另一物理意义：跌落时的最大加速度等于因子的另一物理意义：跌落时的最大加速度等于跌落时弹性材料产生的最大变形与弹性材料缓慢释放完跌落时弹性材料产生的最大变形与弹性材料缓慢释放完全后的变形之比值。全后的变形之比值。考虑物体在考

12、虑物体在h h高度和最大变形的两个瞬间，由机械能守恒得高度和最大变形的两个瞬间，由机械能守恒得实际实际存在摩擦力等，存在摩擦力等，还还必必须须考考虑虑能量的耗散。（能量的耗散。（P.016)P.016)四、应力与应变四、应力与应变1 1、静应力与动应力、静应力与动应力n应力：材料单位面积上承受的压力应力：材料单位面积上承受的压力n静应力：方向和大小不随时间变化的应力静应力：方向和大小不随时间变化的应力 如缓冲衬垫所承受的静应力：如缓冲衬垫所承受的静应力：n动应力：材料在动载荷作用下，所承受的最大压力。动应力：材料在动载荷作用下，所承受的最大压力。如重量为如重量为 W 物体跌落到某一弹性材料上，

13、速度很快变为物体跌落到某一弹性材料上，速度很快变为0 0，某瞬时有最大加速度，某瞬时有最大加速度Gm ,最大作用力为最大作用力为 当当Gm大于大于2020时时静应力忽略不计！静应力忽略不计！n动载系数：动应力与静应力之比动载系数：动应力与静应力之比 G因子的又一物理意义：重物跌落时产生的最大加速度因子的又一物理意义：重物跌落时产生的最大加速度近似等于动载系数。近似等于动载系数。2 2、应变、应变泊松比泊松比：在弹性范围内，横向应变与纵向应变大小之比为：在弹性范围内，横向应变与纵向应变大小之比为一常数，称为泊松比（因材料而异）。一常数，称为泊松比（因材料而异）。对各项同性材料：对各项同性材料：，

14、金属材料，金属材料橡胶、石蜡受拉时体积无变化，橡胶、石蜡受拉时体积无变化，；软木、泡沫材料：软木、泡沫材料：弹性模量弹性模量3 3、应变能应变能 材料在压力作用下产生变形。材料在压力作用下产生变形。测测定施力过程的力定施力过程的力变形曲线，变形曲线，曲线下的面积表示压力所作的功。曲线下的面积表示压力所作的功。变形与材料形状、尺寸有关。变形与材料形状、尺寸有关。转化为应力转化为应力应变曲线，包围应变曲线，包围的面积表征材料的单位体积所吸的面积表征材料的单位体积所吸收的能量收的能量应变能应变能e。材料均匀受力变形材料均匀受力变形第二节第二节 包装流变学概念包装流变学概念n流流变变学学是是在在虎虎克

15、克弹弹性性定定律律和和牛牛顿顿黏黏性性理理论论的的基基础础上发展起来的，关于上发展起来的，关于形变形变与与流动流动的科学。的科学。n缓缓冲冲材材料料：黏黏塑塑弹弹性性物物质质，可可假假定定由由弹弹性性、黏黏性性和和塑性塑性三要素所构成的物质。三要素所构成的物质。一、弹性一、弹性n定义：材料在力（外在因素）作用下发生变形，当去掉定义：材料在力（外在因素）作用下发生变形，当去掉外力时能恢复其原有状态的性质。外力时能恢复其原有状态的性质。n弹性力：弹性力：外力作用下物体内部产生阻止变形，力图恢复外力作用下物体内部产生阻止变形，力图恢复原有状态的力（内部应力），而去掉外力时随状态的恢原有状态的力（内部

16、应力），而去掉外力时随状态的恢复其内部应力也随之消失，这种内部应力就是弹性（恢复其内部应力也随之消失，这种内部应力就是弹性（恢复）力。复）力。n弹性极限：弹性极限：去掉外力后能完全恢复其原有状态的应变界去掉外力后能完全恢复其原有状态的应变界线。线。n在弹性范围内，应力与应变成线性关系，且弹性能使材在弹性范围内，应力与应变成线性关系，且弹性能使材料保持原有平衡位置。料保持原有平衡位置。n弹性是缓冲包装材料弹性是缓冲包装材料具有缓冲能力具有缓冲能力的基本条件。缓冲包的基本条件。缓冲包装材料可吸收冲击能量，减小冲击加速度。装材料可吸收冲击能量，减小冲击加速度。n缓冲材料的实际弹性缓冲材料的实际弹性很

17、复杂，分为线性和非线性两大类。很复杂，分为线性和非线性两大类。n常见缓冲包装材料的力常见缓冲包装材料的力变形曲线变形曲线x缓冲衬垫缓冲衬垫Pho线弹性材料：线弹性材料：金属弹簧金属弹簧双直线型弹性材料：双直线型弹性材料：缓冲缓冲材料完全压缩且与外包装材料完全压缩且与外包装 容器接触。容器接触。图中图中r r0 0oror0 0三次函数型弹性材料：三次函数型弹性材料：细木刨花，木屑，塑料丝，乙酸纤细木刨花，木屑，塑料丝，乙酸纤维丝维丝双曲正切型弹性材料：双曲正切型弹性材料：EPS泡沫塑料，蜂窝泡沫塑料，蜂窝纸板，瓦楞纸板纸板，瓦楞纸板 不规则型弹性材料：不规则型弹性材料：发泡材料发泡材料（前段像

18、（前段像双曲正切形，后段双曲正切形，后段像正切形的组合状像正切形的组合状态）态）注意！注意！注意！注意！应力应变曲线，应力应变曲线，不仅取决于材料，不仅取决于材料，而且与具体使用的结构、加载方式、而且与具体使用的结构、加载方式、温度条件等有关温度条件等有关正切型弹性材料：正切型弹性材料：泡沫橡胶，碎纸，细木刨花泡沫橡胶，碎纸，细木刨花对对于于非非线线性性弹弹性性，变变形形曲曲线线上上各各点点的的斜斜率率不不同同，因因此此各各点点的弹性模量的弹性模量E和和k都不同。都不同。研研究究小小变变形形时时，常常用用初初始始弹弹性性模模量量。在在弹弹性性极极限限范范围围内内，完全按线性弹性对待，称为正切模

19、量完全按线性弹性对待，称为正切模量 。曲曲线线呈呈非非线线性性时时，常常用用正正割割模模量量代代替替正正切切模模量，对工程塑料是以量，对工程塑料是以 时的弦线斜率时的弦线斜率来代替该点的切线斜率：来代替该点的切线斜率：n 弹性变形率（弹性率）弹性变形率（弹性率）对常用缓冲材料：对常用缓冲材料：弹性效率：弹性效率：原始长度原始长度加载后的长度加载后的长度卸载后的长度卸载后的长度破断前的全长破断前的全长P.019P.019n缓冲材料的等效弹性刚度缓冲材料的等效弹性刚度缓冲衬垫的缓冲衬垫的等效弹等效弹性刚度性刚度可用弹簧的刚可用弹簧的刚度来表示，即：度来表示，即：缓冲衬垫缓冲衬垫PPhxn缓冲垫的串

20、联缓冲垫的串联n缓冲垫的并联缓冲垫的并联 注意：注意：假设缓冲垫变形相等，实际上有可能不相等。与力假设缓冲垫变形相等，实际上有可能不相等。与力的施加位置有关，设计时要考虑。的施加位置有关，设计时要考虑。二、塑性二、塑性n 塑性变形：如果去掉外力后，变形不能全部消失而留有塑性变形：如果去掉外力后，变形不能全部消失而留有残余，此残余部分称为塑性变形或残余变形。残余，此残余部分称为塑性变形或残余变形。n 塑性塑性指当材料承载超过强度极限时产生流动，指当材料承载超过强度极限时产生流动，造成永久造成永久变形和破坏的性质。变形和破坏的性质。永久变形吸收外界能量，减永久变形吸收外界能量，减小小冲击冲击和和振

21、动振动。n 用用回弹率回弹率表示塑性：表示塑性：固体物质卸载时的回弹量与加载时固体物质卸载时的回弹量与加载时的压缩量之比。的压缩量之比。空空投投物物品品的的包包装装：利利用用大大外外力力下下的的塑塑料料变变形形来来吸吸收收能能量量，达到保护产品的目的。达到保护产品的目的。积积层层式式瓦瓦楞楞纸纸板板、木木丝丝、聚聚苯苯乙乙烯烯泡泡沫沫，都都在在不不同同程程度度上上利用材料的塑性来到达缓冲的目的。利用材料的塑性来到达缓冲的目的。压溃型缓冲材料。压溃型缓冲材料。缓冲材料塑性的应用缓冲材料塑性的应用(P.021(P.021022)022)三、黏性（粘性，阻尼）三、黏性（粘性，阻尼）n流体在运动状态下

22、抵抗剪切变形速率能力的性质，称为流体在运动状态下抵抗剪切变形速率能力的性质，称为黏性。流体的固有属性，是运动流体产生机械能损失的黏性。流体的固有属性，是运动流体产生机械能损失的根源。根源。与速度有关与速度有关。例如，气体介质阻力、水流动时能。例如，气体介质阻力、水流动时能量损失等。量损失等。n缓冲材料，在受到振动与冲击时，其内部会产生与运动缓冲材料，在受到振动与冲击时，其内部会产生与运动方向相反的阻力（称为内阻），方向相反的阻力（称为内阻），主要是内部摩擦力。能主要是内部摩擦力。能吸收振动能量、衰减振动。吸收振动能量、衰减振动。与内部结构形状有关与内部结构形状有关。n与速度不一定成比例，不一定

23、属于线性阻尼。工程上设与速度不一定成比例，不一定属于线性阻尼。工程上设法等效为线性阻尼。法等效为线性阻尼。如何等效如何等效?阻尼系数可衡量材料或阻尼系数可衡量材料或结构的阻尼大小。结构的阻尼大小。相当于电路中的电容。相当于电路中的电容。四、四、蠕变蠕变n蠕变蠕变指（缓冲）材料在受到静外力作用下，随着时指（缓冲）材料在受到静外力作用下，随着时间的延长使静变形量增大的一种现象。其实质是间的延长使静变形量增大的一种现象。其实质是（缓冲）材料从一种平衡状态转化为另一平衡状态，（缓冲）材料从一种平衡状态转化为另一平衡状态，但（缓冲）材料的变形量随时间延长而增大。但（缓冲）材料的变形量随时间延长而增大。n

24、蠕变蠕变不仅与荷载、时间有关，而且与温度有关。随不仅与荷载、时间有关，而且与温度有关。随着温度的升高，蠕变愈明显地增大。着温度的升高，蠕变愈明显地增大。n注意：在温度高、压力大的流通环境中，包装件因注意：在温度高、压力大的流通环境中，包装件因堆码和存储，缓冲材料易产生蠕变，导致衬垫和外堆码和存储，缓冲材料易产生蠕变，导致衬垫和外包装容器之间出现空隙，产品易产生二次冲击现象。包装容器之间出现空隙，产品易产生二次冲击现象。五、五、松弛现象松弛现象n定定义义：材材料料受受力力后后，在在保保持持固固定定的的变变形形下下，其其内内应应力力随随时时间间增增加加而而减减少少的的现现象象。缓缓冲冲材材料料的的

25、松松弛弛现现象象普普遍遍存存在在，塑塑料特别明显。料特别明显。与温度和作用时间有关与温度和作用时间有关。n蠕蠕变变是是机机械械力力作作用用下下的的力力学学松松弛弛；在在电电场场作作用用下下会会发发生生电电学松弛。学松弛。n松松弛弛过过程程存存在在于于物物质质由由一一种种平平衡衡状状态态转转变变为为另另一一种种平平衡衡状状态态的的过过渡渡过过程程之之中中，它它不不是是热热力力学学过过程程，是是一一种种动动力力学学过过程程。迄迄今今对对松松弛弛的的微微观观机机理理尚尚缺缺少少完完善善的的、能能作作出出定定量量解解释的理论。释的理论。n高高聚聚物物的的力力学学松松弛弛的的形形式式：蠕蠕变变（应应力力

26、不不变变，变变形形增增加加）；应应力力松松弛弛（恒恒定定的的变变形形下下，应应力力逐逐渐渐减减退退，弹弹性性变变形形减减少而塑性变形增大的现象）少而塑性变形增大的现象）n松弛过程的总变形不变松弛过程的总变形不变=初始变形（初始变形（P.024)P.024)六、滞后现象六、滞后现象n定定义义：聚聚合合物物在在交交变变应应力力作作用用下下应应变变落落后后于于应应力力的的现现象象。（P.024)P.024)生橡胶的应力应变曲线图生橡胶的应力应变曲线图 n产产生生原原因因：滞滞后后现现象象是是由由于于黏黏性性（内内部部摩摩擦擦），制制造造时时的的内内部部应应力力、热热不不平平衡衡以以及及塑性所造成的。塑性所造成的。n外外力力作作用用的的频频率率与与温温度度对对滞滞后后现现象象有有很很大大的影响。的影响。