熊元等

摘要： 研究一種新型復(fù)合材料——低密度聚乙烯（LowDensity Polyethylene，LDPE）/聚氨酯（Polyurethane，PU），將其應(yīng)用到包裝箱領(lǐng)域.該包裝箱通過(guò)旋塑工藝加工成型.通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)，分別測(cè)量出LDPE和PU的應(yīng)力應(yīng)變曲線；根據(jù)旋塑模具設(shè)計(jì)要求用UG對(duì)包裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；用ANSYS Workbench對(duì)該包裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析.仿真結(jié)果表明：LDPE/PU包裝箱既保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又滿足輕量化要求，并能節(jié)約成本.

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料； 聚氨酯； 旋塑； 有限元； ANSYS Workbench

中圖分類號(hào)： TQ327.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

復(fù)合材料可以在很大程度上改善和提高單一常規(guī)材料的物理和化學(xué)性能，可以解決在工程結(jié)構(gòu)上采用常規(guī)材料無(wú)法解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，所以復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈和人造衛(wèi)星等軍工領(lǐng)域，以及運(yùn)輸工具、建筑、機(jī)器零件等民用行業(yè).

根據(jù)旋塑工藝的特點(diǎn)，旋塑材料需要具有良好的熱塑性，對(duì)材料的選擇局限性很大.其中，聚乙烯是旋塑模塑工業(yè)中的支柱材料，使用量達(dá)85%左右.新型低密度聚乙烯

（LowDensity Polyethylene，LDPE）

/聚氨酯

（Polyurethane，PU）

復(fù)合材料可通過(guò)旋塑生產(chǎn)發(fā)泡制品工藝加工制造而成.為檢測(cè)該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，通過(guò)ANSYS Workbench進(jìn)行仿真，并得出準(zhǔn)確結(jié)論，考察包裝箱的各項(xiàng)性能和市場(chǎng)價(jià)值.

1材料力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試

有限元分析結(jié)果精度首先取決于模型材料參數(shù)的準(zhǔn)確性，而LDPE/PU種類繁多，不同分子量的分子結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的材料特性，所以為使有限元模型反映實(shí)際情況，通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)分別測(cè)試出對(duì)應(yīng)牌號(hào)的2種材料的本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)性能參數(shù).

試驗(yàn)裝置為電子萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī).

試驗(yàn)步驟為：

1）在試樣上隨機(jī)選擇3處測(cè)量厚度，取算術(shù)平均值作為測(cè)試前試樣的厚度.

2）根據(jù)試樣長(zhǎng)度和夾具的間距調(diào)整好限位裝置，設(shè)定好試驗(yàn)機(jī)的拉伸速度.

3）輸入試樣的原始參數(shù).

4）夾持試樣.

5）按照軟件設(shè)定的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，多個(gè)試樣測(cè)試重復(fù)上一步驟.

6）每個(gè)試樣測(cè)試完成后，保存屏幕右端顯示的試驗(yàn)結(jié)果.

1.1測(cè)試條件

環(huán)境溫度為20 ℃.

試樣尺寸：標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣，參照GB/T 528—1998，尺寸見(jiàn)圖1.

1.2測(cè)試結(jié)果

1.2.1應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過(guò)拉伸試驗(yàn)，在軟件中讀取LDPE和PU的應(yīng)力應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖2.

1.2.2材料力學(xué)特性參數(shù)

1）LDPE：密度為924.0 kg/m3，屈服應(yīng)力為18.5 MPa，彈性模量為556 MPa.

2）PU：密度為232.3 kg/m3，屈服應(yīng)力為2.8 MPa，彈性模量為137 MPa.

2復(fù)合材料包裝箱有限元分析

2.1LDPE/PU復(fù)合材料包裝箱三維幾何模型

由于該包裝箱是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化模型、提高計(jì)算速度，選取箱體的一半進(jìn)行分析.該包裝箱的三維模型通過(guò)建模軟件UG完成，見(jiàn)圖3.

2.2單元網(wǎng)格劃分

考慮到有限元非線性分析以及計(jì)算成本等因素，分析中PU采用ANSYS 單元庫(kù)中的SOLID 95單元.SOLID 95是三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID 45的高次形式，能夠用于不規(guī)則形狀，而且不會(huì)在精度上有任

何損失.SOLID 95具有完全形函數(shù)，適用于邊界為曲線情況下的建模.本單元由20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由 3個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x，y和z方向的平動(dòng).本單元可以有任何空間方向，具有塑性、徐變、蠕變、大變形、大應(yīng)變和應(yīng)力強(qiáng)化的功能，以及其他各種輸出選項(xiàng).

雖然外層LDPE部分較薄，可用板殼單元SHELL模擬，但考慮到PU單元是用實(shí)體單元SOLID，體單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，而殼單元每個(gè)單元有6個(gè)自由度，這樣在這2個(gè)不同類型的單元公共節(jié)點(diǎn)上就會(huì)出現(xiàn)約束不足的問(wèn)題，而且該包裝箱存在許多加強(qiáng)筋等不規(guī)則截面，不太容易處理，因此，LDPE和PU均采用SOLID 95實(shí)體單元.最后得到的模型共391 961個(gè)節(jié)點(diǎn)，256 220個(gè)實(shí)體單元.

2.3材料本構(gòu)模型

根據(jù)單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)試得到的力學(xué)性能參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變曲線，選取ANSYS Workbench中符合該材料的本構(gòu)關(guān)系模型.由圖2可知：LDPE是彈塑性材料，選取Bilinear Isotropic Hardening Plasticity模型模擬其本構(gòu)模型；PU是線彈性材料，選取Isotropic Elasticity模型模擬其本構(gòu)模型.

2.4計(jì)算及結(jié)果

根據(jù)技術(shù)要求，在箱體內(nèi)部支撐面上施加0.150 MPa的壓力（相當(dāng)于在箱內(nèi)放置質(zhì)量為1 000 kg的物體）時(shí)，箱體不會(huì)被破壞且沒(méi)有產(chǎn)生大變形.通過(guò)ANSYS Workbench中的靜強(qiáng)度分析模塊進(jìn)行計(jì)算，并輸出相應(yīng)工況下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，得到的云圖見(jiàn)圖4.

LDPE/PU復(fù)合材料箱體的最大應(yīng)力為0.516 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?1.17×104，最大位移為0.107 1 mm，這些最大值均出現(xiàn)在LDPE層，遠(yuǎn)小于LDPE的屈服強(qiáng)度18.5 MPa，滿足技術(shù)要求.

3LDPE包裝箱有限元分析

利用ANSYS對(duì)傳統(tǒng)單一材料LDPE包裝箱，在相同模型和相同工況條件下進(jìn)行靜強(qiáng)度分析.分析過(guò)程與上述過(guò)程一致，結(jié)果云圖見(jiàn)圖5.LDPE箱體的最大應(yīng)力為0.243 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.8×10-4，最大位移為0.037 8 mm.

4LDPE/PU復(fù)合材料性能評(píng)估和市場(chǎng)價(jià)值分析

根據(jù)前文的有限元分析結(jié)果可以看出： LDPE包裝箱的安全因數(shù)更高.在相同的工況下，LDPE/PU復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比LDPE結(jié)構(gòu)高出53%.但是，由于PU的密度為232.3 kg/m3，遠(yuǎn)小于LDPE

的密度924.0 kg/m3.在滿足相同技術(shù)要求的條件下， LDPE/PU復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯.按照現(xiàn)在塑料市場(chǎng)的價(jià)格，LDPE單價(jià)為13元/kg，聚氨酯單價(jià)為15元/kg.用復(fù)合材料制造的包裝箱能夠減輕60%，并且節(jié)約成本57%，具體見(jiàn)表1.在如今塑料市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的環(huán)境下，該復(fù)合材料具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，并且其輕量化使得其應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣闊.

工藝制造方面，利用旋塑工藝的特點(diǎn)，只需在外層LDPE空腔內(nèi)，直接將生成PU彈性體的原材料灌注進(jìn)去，發(fā)泡填充成PU芯層.制造過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，且施工周期短.

在承受很大載荷的情況下，所用的PU隔層一方面可以分散應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，防止材料產(chǎn)生永久變形或裂紋，從而延長(zhǎng)材料的使用壽命；另一方面由于PU具有黏彈性，能夠吸聲減震，且在運(yùn)輸產(chǎn)品過(guò)程中更安全.

由以上分析可知：LDPE/PU復(fù)合材料和LDPE相比，生產(chǎn)成本節(jié)約一半以上，價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，且材料自身質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力增大，能耗減少，材料的安全性能高，在塑料包裝箱中的應(yīng)用方面前景廣闊，有很大的市場(chǎng)價(jià)值.

5結(jié)論

1）應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)LDPE/PU復(fù)合材料和LDPE材料包裝箱進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變等計(jì)算.計(jì)算結(jié)果表明：在相同的工況下，LDPE/PU復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比LDPE結(jié)構(gòu)高53%，但是由于PU的密度遠(yuǎn)小于LDPE的密度，所以在滿足相同技術(shù)要求的條件下， LDPE/PU復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仍具有一定的應(yīng)用價(jià)值，且價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯.

2）可利用旋塑工藝的特點(diǎn)，使LDPE/PU復(fù)合材料包裝箱制造過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，且施工周期短.

3）在承受很大載荷的情況下，PU芯材一方面可以分散應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，另一方面由于PU具有黏彈性，能夠減少噪聲與震動(dòng).

（4）與LDPE結(jié)構(gòu)相比，LDPE/PU復(fù)合材料自身質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力增大，能耗減少，材料的安全性能高，在塑料包裝箱中的應(yīng)用前景廣闊.

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（編輯武曉英）