串联缓冲系统冲击响应与结构优化分析

    缓冲材料吸收外界所产生的能量，以保护产品不受破坏．缓冲材料较多使用泡沫塑料［１－２］，因其质轻、可塑性强，具有良好的吸能特性，被广泛运用于电子产品的防护设计中．为了定量表征缓冲材料的力学性能，基于单轴准静态及动态压缩试验数据，Ｚｈａｎｇ２－７］建立宏观本构模型，较方便地预测了缓冲系统在受到激励后的最大加速度响应，为设计提供了基本数据。

    瓦楞纸板因其可降解，满足了可持续发展的要求，常用于制作容器来存储及运输商品．Ｊａｒｉｍｏｐａｓ等［８－１１］介绍了瓦楞纸板应用及瓦楞纸板力学本构关系．对于昂贵的电子产品及精密仪器等，在瓦楞纸板箱里引入泡沫塑料作为缓冲材料较为常见［１２－１３］．

    瓦楞纸板与泡沫塑料在受到载荷条件下，共同变形以吸收外界能量，此时瓦楞纸板与泡沫塑料组成了串联缓冲系统．由于它们的缓冲材料力学性能相差很大，寻求表征不同缓冲材料串联所组成的缓冲系统的力学性能方法，将为科学设计缓 冲 结 构 奠 定基础［１４］．瓦楞纸板在运输包装中较为常用，本文研究ＢＣ双瓦楞纸板与发泡聚乙烯所组成的串联缓冲系统动力学响应，并对此串联缓冲系统进行优化分析，为复杂缓冲系统的结构设计提供方法．

    １　ＢＣ双瓦楞纸板与发泡聚乙烯本构模型

　　需要万能试验机（ＣＭＴ６１０３，最大轴力为５ｋＮ）与落锤试验台（ＤＬ１００型）分别测试ＢＣ双瓦楞纸板和发泡聚乙烯在单轴准静态与动态压缩载荷条件下的应力－应变行为，为建立宏观本构关系奠定基础．缓冲材料单轴压缩试验示意图，如图１所示．试验用瓦楞纸板的厚度为６．７ｍｍ，聚乙烯泡沫厚度为０．４ｍ．材料被截成１２５ｍｍ×１２５ｍｍ．为了实现试验数据的可重复性，对同一个载荷工况进行３次试验．对实验数据进行平均，得到缓冲材料的应力－应变关系．

    缓冲材料应力与应变分别采用名义应力与应变：

    式中：σ（ｔ）为名义应力，Ｆ（ｔ）为对应的缓冲材料的支反力，Ａ为缓冲材料的面积，ｘ（ｔ）为压缩变形量，ｈ为缓冲材料的初始厚度．

    选用压头速度２ｍｍ／ｍｉｎ，得到ＢＣ双瓦楞纸板的应力－应变，如图２的虚线所示．由图２可知，ＢＣ双瓦楞纸板静态压缩时具有以下特性：先是线弹性，随着压缩变形的增大，出现了屈服阶段；最后瓦楞纸板进入压实阶段．２个峰值点分别对应２个瓦楞层屈曲．