28.3缓冲材料性能[课堂使用]

1、第三章 缓冲材料 第一节 缓冲材料的力学特性 第二节第二节 组合材料的力学特性组合材料的力学特性 第三节第三节 缓冲特性与缓冲系数缓冲特性与缓冲系数 1基础教学 2基础教学 一、常用缓冲材料分类一、常用缓冲材料分类 缓冲材料的作用：缓冲材料的作用：延长冲击时间，减小作用在产品上的冲击力，从而 使产品得到有效的保护。 缓冲材料的力学性质可以由应力应力应变曲线应变曲线来描述。 常用的缓冲材料：常用的缓冲材料：有塑料缓冲材料和纸制品缓冲材料。 通常，塑料缓冲材料质量轻、缓冲、防潮、防水性能好，但不可 自然降解，回收成本高，许多塑料缓冲材料国际上已禁用。 纸制品缓冲材料具有环保、成本低廉、原材料来源广

2、泛、缓冲性能 好、能够自然降解的优点，属绿色包装材料 。缺点是防潮防水性较差。 3基础教学 缓冲包装材料的种类 1 塑料类缓冲材料： EPS（发泡聚苯乙烯，丽龙），EPE（发泡聚乙烯， 珍珠棉）， EPU（发泡聚氨甲酸酯，聚氨酯，人造海绵），EVA(乙烯-醋酸乙烯共 聚物橡塑制品)，EPDM（三元乙丙人造橡胶，多孔橡胶）、CR（人造橡 胶），EPP（发泡聚丙烯，拿普龙），EPO（聚苯乙烯/乙烯互聚物）， 气垫塑料薄膜，塑料薄膜悬挂缓冲包装。 2 纸质缓冲材料：瓦楞纸板，蜂窝纸板，纸浆模塑，纸浆发泡块，纸纤 维成型材料 缓冲材料 EPE缓冲结构缓冲结构 XPE EPS缓冲结构缓冲结构 P U 现

3、 场 发 泡 4基础教学 二、缓冲材料变形特点二、缓冲材料变形特点 线弹性材料线弹性材料 E l 线弹性材料的力线弹性材料的力变形曲线呈直线；变形曲线呈直线； l 严格意义上的线弹性材料是极少的，很多材料在应力小于一定值严格意义上的线弹性材料是极少的，很多材料在应力小于一定值 时，其相应的力时，其相应的力变形或应力变形或应力应变曲线近似于一条直线。应变曲线近似于一条直线。 P A x h EA k h 5基础教学 F=kx 0 2 tan 2 b b k dx F d 3 0 Fk xx x F o 0 0 0 tan k x FF F 缓冲材料变形特点缓冲材料变形特点 6基础教学 一、组合材

4、料的叠置（串联）一、组合材料的叠置（串联） 线弹性材料叠置线弹性材料叠置 12 PPP kkk 12 12 kk k kk 1 1 Pk x 22 Pk x 假设两种线弹性材料的弹性模量不同，且 E1E2 由 可以得出等效弹性模量：E2 E E1 EA k h 12 xxx 8基础教学 一、组合材料的叠置（串联）一、组合材料的叠置（串联） 线弹性材料叠置线弹性材料叠置 E2 E E1 结论的求证 EA k h h Ek A 1212 12 hhk k Akk 1 1222 1 12 1 () hk kh k k AAkk 122 1 12 E kE k kk 122 1222 1 2 1212

5、 E kE kE kE k EE kkkk 122 1121 1 1 1212 E kE kE kE k EE kkkk 21 EEE 9基础教学 一、组合材料叠置（串联）一、组合材料叠置（串联） 非线弹性材料叠置非线弹性材料叠置 设组合材料的厚度为h。在外力的作用下， 原始材料分别产生形变x1、x2 121122 12 xxh xh xx hhhh hh h 设 代入上式中得: 12 1 h h 2 ,1 h h 10基础教学 一、组合材料叠置（串联）一、组合材料叠置（串联） 非线弹性材料叠置非线弹性材料叠置 通过分别对串联的两种非线弹性 材料进行抗压试验，可得到它们的 应力应变曲线分别为a

6、bc和abc； 连接两曲线同一应力下的对应点， 按 的比例找出一点，连接 这些点就可得到组合材料的串联应 力应变曲线。 112121 221221 2121 2121 (1) (1) () () 11基础教学 二、组合材料的并列（并联）二、组合材料的并列（并联） 线弹性材料并列线弹性材料并列 12 ()kxx kk 12 kkk 12 PPP 假设两种线弹性材料的弹性模量不同，且 E1E2 由 可以得出等效弹性模量E ：E2 E E1 结论与叠置相同。 由此可知：组合设计的线弹性材料的缓冲效果，其对应 的等效弹性模量与其原始材料的弹性模量有关，数值大小介于 两者之间。 等效弹性模量的大小与原始

7、材料的结构尺寸有关，通过 改变结构尺寸可以使等效弹性模量在取值范围内变化。 EA k h 12 xxx 12基础教学 二、组合材料的并列（并联）二、组合材料的并列（并联） 非线弹性材料并列非线弹性材料并列 设组合材料的受力面积为A。 在外力的作用下，两并联衬垫分 别受力为P1、P2，则有： 121122 12 PPA PA PPP AAAAA AA A 设 代入上式中得 1 A A 2 A A 12 类似叠置时绘制曲线的方 法，用 的比例确定 各点，连接出组合材料的并 联应力应变曲线。 13基础教学 一、缓冲效率一、缓冲效率 设缓冲材料的原始厚度为设缓冲材料的原始厚度为 h h，若在力，若在力

8、F F的作用下缓冲材的作用下缓冲材 料变形为料变形为x x，则产生的变形能为：，则产生的变形能为： 0 x EFdx 单位厚度缓冲材料吸收的能量为：单位厚度缓冲材料吸收的能量为： E h 设一个缓冲效率设一个缓冲效率 ，定义为：，定义为： 单位厚度缓冲材料吸收的能量与作用力的比值单位厚度缓冲材料吸收的能量与作用力的比值: : EE F hFh 15基础教学 二、缓冲系数二、缓冲系数 定义：缓冲效率的倒数就是缓冲系数，用C表示。 1Fh C E 静态缓冲系数：通过静态试验法得出缓冲系数应力曲线。 首先通过实验获得力形变曲线，再将力形变曲线转变成 应力应变曲线，通过应力应变曲线计算缓冲材料的形变能

9、 E 000 x EFdxA hdAhd 设 0 ed e为单位体积缓冲材料的形变能，所以EAhe 因此，缓冲系数 0 mmm AhFh C EAhee d 16基础教学 二、缓冲系数二、缓冲系数 例：已知密度为0.012g/cm3的缓冲材料由 万能材料试验机测试出的静态应力应变曲 线如图所示，试绘制这种材料的静态缓冲系 数曲线。 解：一般我们用表格法来解题 m(MPa)e(J/cm3)C 000 0.10.060.00320 0.20.130.01210.4 0.30.170.0276.18 0.40.20.0454.44 顶点0.930.950.2354.03 根据上表数据，可以绘制出Cm

10、 曲线、C曲线、Ce曲线。 0 FhA h C EAhee d 17基础教学 二、缓冲系数二、缓冲系数 下图为部分缓冲材料缓冲系数-最大应力曲线，曲线呈凹谷 形，凹底的坐标标志着材料的最小缓冲系数及与之相应的应力 值，这就是设计缓冲材料决定最佳面积尺寸的依据。 最大应力最大应力 18基础教学 二、缓冲系数二、缓冲系数 动态缓冲系数： 19基础教学 二、缓冲系数二、缓冲系数 动态缓冲系数：通过动态试验法得出的最大冲击加速度 静应力曲线。 设冲击高度为H，缓冲 材料的厚度为h，面积为A， 试验重锤重量为W，可得到 缓冲材料的静应力为 st W A 重锤W从高度H落下冲击缓冲材料，测试最大加速度Gm

11、。 对于一组重量不同的重锤W1、 W2Wn,其对应的静应力分别为： st1、st2stn，重锤W从高度H落下，可测最大冲击加速度分别为：Gm1、 Gm2、 Gm3 Gmn .以静应力为横坐标，以最大冲击加速度为纵坐标，绘 制出缓冲材料最大冲击加速度静应力曲线（Gmst曲线） 20基础教学 二、缓冲系数二、缓冲系数 重复上述步骤，在冲击高度H和面积A不变的情况下 ，改 变缓冲材料的厚度h，这样每改变一次厚度h，都可以得到一条 Gmst曲线。 同样，在缓冲材料的厚度h和面积A不变的情况下 ，改变 冲击高度H ，也可以得到不同跌落高度的Gmst曲线。 21基础教学 二、缓冲系数二、缓冲系数 曲线1：

12、h=2.25cm 曲线2：h=4.5cm 曲线3：h=6.75cm 曲线4：h=9.0cm 曲线5：h=11.25cm 曲线6：h=13.5cm 22基础教学 三、静态缓冲系数三、静态缓冲系数- -最大应力曲线与最大加速度最大应力曲线与最大加速度- -静应力曲线静应力曲线 的关系的关系 跌落冲击时，缓冲材料达到最大应变m时，有： 000 mm x WH FdxAhdWHd Ah 0 mmm G WG hAh C AWHH d 因此，由Gmst曲线可以 得出C和m值，从而绘出静态 缓冲系数最大应力曲线 （Cm曲线）。 静态缓冲系数 m mmst G W G A 若忽略塑性变形等能量损失，重锤W在

13、高度H所具有的势 能等于缓冲材料的形变能，即 23基础教学 例：将密度为0.035g/cm3的某种缓冲材料制成 10cm10cm10cm的试件，在落锤冲击机上进行冲击试验，各 次试验的跌落高度均为60cm，各次试验的重锤质量及测得最大 加速度列于下表，试绘制这种材料的Cm曲线。 解： 44 1010 m mmm G W WGmxMPa A 0.01667 m m G h Cx H m x m（kg）（m/s2）m（MPa）C 1.0656.50.06611.17 1.3588.00.07610.00 2.0441.00.0887.50 3.0323.40.0975.50 5.0245.00.1

14、234.17 30441.01.3237.50 根据上表就可绘制出Cm曲线。 三、静态缓冲系数三、静态缓冲系数- -最大应力曲线与最大加速度最大应力曲线与最大加速度- -静应力曲线静应力曲线 的关系的关系 24基础教学 三、影响缓冲系数的因素三、影响缓冲系数的因素 压缩速度的影响 缓冲材料并非完全弹性材料， 其内部的粘性阻尼力 大小与材料的形变速度成正比， 因此所得到的静态缓冲系数静态缓冲系数与 动态缓冲系数动态缓冲系数有差异。 Rcx 温度的影响 由于缓冲材料的应力应变曲 线与温度有关，因此随着温度 的升高缓冲系数最大应力曲 线也随之变化。 25基础教学 三、三、影响影响缓冲系数的因素缓冲系

15、数的因素 预处理的影响 预处理就是对缓冲材料试样进行若干次加压和卸压， 用于消除缓冲材料的塑性变形。 由于材料的力学松弛原因，使缓冲材料的缓冲系 数最大应力曲线发生变化，缓冲系数会变大。 26基础教学 作业 1.密度为0.02g/cm3的泡沫聚 乙稀的Cm曲线如图所示， 取跌落高度H = 100cm，衬垫 厚度分别取2.5、4.5、6.5cm， 试绘制这种材料的Gmst曲 线。 2.在缓冲材料冲击机上对密 度为0.035g/cm3的聚苯乙烯 泡沫塑料进行冲击试验，试 样厚度分别为5cm和10cm，试 验面积均为10cm10cm，试 验跌落高度均为60cm，试验 所得数据如表，试绘制其 Gmst曲线。 测试数据坐标计算 h/cmm/kg/(m/s2)st/kPaGm 5 1.46371.3765 25491.9656 34702.9448 44613.9247