空气垫在受到跌落冲击时的缓冲机理及性能研究

论文摘要

空气垫是一种新型的缓冲材料,它是由塑料薄膜包裹气体而成。从原理上讲,空气垫是利用密闭在塑料薄膜内的可压缩气体来实现弹性功能。作为缓冲材料,空气垫具有良好的抗冲击性和隔振性。本文研究了空气垫的几何特征,并根据已有的圆柱模型,得到相应的改进模型。通过准静态压缩试验和模拟跌落试验讨论两种模型的可行性。另外,还进一步研究了空气垫的设计参数对其性能的影响。本文首先研究了空气垫承受的临界内压、单向阀强度、以及空气垫厚度的相互关系,并通过对单向阀的剥离试验以及空气垫准静态压缩试验,发现空气垫可承受的最大内压随其尺寸的减小而增大。然后通过对空气垫的几何形状进行近似,得到其承载性能的理论模型,并由此发现空气垫的有效承压面积与压缩量基本呈线性关系。在准静态压缩过程中,圆柱模型适合表征尺寸小的空气垫;圆柱改进模型则适合表征尺寸大的空气垫。在冲击压缩过程中,两种模型都可以较好的表征空气垫在压缩时的动态载荷特性,不过当压缩量过大时,理论模型会过高估计空气垫的承载能力;在预测空气垫的动态缓冲能力时,根据改进模型计算出来的理论值与试验值,以及其变化规律更加接近。另外,空气垫薄膜变形对静态压缩的影响不明显;但是对动态压缩存在一定的影响。关于空气垫的缓冲性能,在准静态压缩变形中,初始内压的增加会使得其缓冲系数减小,但是当初始内压超过60kPa,其减小程度并不明显;最小缓冲系数多发生在应变为0.4～0.6时,其最小值介于2.5～3之间;而尺寸对其静态缓冲性能的影响不大。在动态压缩变形中,随着空气垫初始内压的增大,其动态缓冲性能增强。对于60-115和40-115的空气垫,当重块质量增加时,最大加速度呈增大的趋势;对于30-115的空气垫,最大加速度有先变小,后增大的趋势。最后,根据空气垫的动态缓冲性能,对产品进行缓冲包装设计,并对六步法中的第四步进行一定的修改,提出使用Gm～n曲线来进行设计,得到所需空气垫规格,以及内包装的尺寸。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 空气垫的研究现状
• 1.2.1 气囊的研究
• 1.2.2 空气垫在包装领域的研究
• 1.2.3 空气垫的完整性
• 1.3 本课题研究目的及主要内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容及方法
• 第二章 空气垫的基本性能
• TM简介'>2.1 Air-paq^TM简介
• 2.2 空气垫薄膜的基本性能
• 2.2.1 薄膜拉伸性能
• 2.2.2 薄膜封合强度
• 2.3 空气垫尺寸与内压的关系
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 空气垫爆破试验
• 2.3.3 结果与分析
• 第三章 空气垫几何模型及其缓冲机理的研究
• 3.1 空气垫几何模型
• 3.1.1 空气垫压缩变形圆柱模型
• 3.1.2 空气垫压缩变形改进模型
• 3.1.3 空气垫几何模型适用性的探讨
• 3.2 空气垫的缓冲机理
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 空气垫压缩载荷特性的表征
• 3.3 薄膜变形对空气垫承载特性的影响
• 3.3.1 薄膜变形对空气垫承载特性的影响探讨
• 3.3.2 薄膜变形对空气垫承载特性的影响
• 第四章 空气垫静态缓冲性能的研究
• 4.1 空气垫准静态压缩试验
• 4.2 试验结果与分析
• 4.2.1 单个气室与多个气室的关系
• 4.2.2 空气垫准静态载荷特性的试验值与理论值的比较
• 4.2.3 空气垫静应力应变曲线的试验值与理论值的比较
• 4.2.4 初始内压对空气垫承载能力的影响
• 4.2.5 初始尺寸对空气垫承载能力的影响
• 4.3 空气垫准静态缓冲特性
• 4.3.1 缓冲系数的概念
• 4.3.2 空气垫初始内压对缓冲系数的影响
• 4.3.3 空气垫外尺寸对缓冲系数的影响
• 第五章 跌落工况下空气垫的缓冲性能
• 5.1 空气垫模拟跌落试验
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 试验材料
• 5.1.3 主要仪器设备
• 5.1.4 试验标准及方法
• 5.2 试验结果与分析
• 5.2.1 等效跌落高度的计算方法
• 5.2.2 空气垫动态载荷特性的试验值与理论值的比较
• 5.2.3 跌落冲击工况下空气垫缓冲特性的分析
• 5.3 跌落冲击时空气垫的缓冲特性理论分析
• 5.3.1 空气垫缓冲性能的预测
• 5.3.2 跌落冲击时空气垫缓冲特性的理论分析
• 第六章 空气垫缓冲包装设计方法
• 6.1 缓冲包装设计方法简介
• 6.1.1 结构设计
• 6.1.2 六步法
• 6.2 空气垫的缓冲包装设计方法
• 6.2.1 概述
• 6.2.2 空气垫缓冲包装设计
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文完成的工作
• 7.2 论文的创新点
• 7.3 论文的不足
• 7.4 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ：作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录Ⅱ：不同规格空气垫单个气室准静态压缩时有效承压面积试验值
• 附录Ⅲ：不同规格空气垫准静态承载能力与理论值的比较
• 附录Ⅳ：空气垫模拟跌落试验数据
• 附录Ⅴ：不同规格空气垫动态载荷与理论值的比较
• 附录Ⅵ：空气垫的缓冲性能与最大静应力的关系
• 附录Ⅶ：冲击高度、初始内压、尺寸分别对空气垫缓冲性能的影响（试验值）
• 附录Ⅷ：空气垫缓冲性能的试验值与理论值