开尔文结构缓冲力学性能分析

摘要

缓冲结构的研究对于包装运输行业的发展起着至关重要的作用，传统缓冲材料结构中使用最多的就是蜂窝结构，随着社会经济的发展和科学技术的进步，对缓冲材料结构的要求也越来越高，为此促使科研工作者去寻找性能更加优良的缓冲材料结构。本文通过有限元方法对开尔文胞体单元组成的空间结构做了分析，另外对比分析了开尔文结构与蜂窝结构和正六面体结构的力学性能。 本文主要做了以下工作： 首先介绍了缓冲材料结构的研究现状，总结了前人的研究成果和研究方法。研究分析了多种空间多面体，确定了开尔文结构作为本文的主要研究对象，并通过三维作图软件UG建立了CAD几何模型。针对当前缓冲材料结构研究方面存在的不足，决定采取有限元的方法对开尔文结构进行分析。 其次建立了开尔文结构的有限元模型，通过对比分析不同单元尺寸的开尔文胞体组成的空间结构，得到在特定胞体单元尺寸下组成的开尔文空间结构，变形、应力分布、承载能力和能量吸收性能相当的结论。这对缓冲结构的设计提供了一些参考，性能相当的产品，尺寸越小加工难度越大，选择较大尺寸的胞体单元堆叠成缓冲结构将会便于生产。 对比分析了开尔文结构与蜂窝和正六面体结构的变形、应力分布。观察到开尔文结构在动态冲击中变形逐层发生，与刚性质量块接触的胞壁最早发生屈曲，而蜂窝结构初始屈曲首先在蜂窝结构表面中间胞壁产生，屈曲形式是从中间向两边扩展，蒙皮上应力值较小。正六面体结构的变形是结构胞壁首先产生褶皱，然后屈曲沿着初始褶皱扩展。 最后通过对开尔文结构与蜂窝和正六面体结构的应力-应变曲线和能量吸收性能对比，观察到开尔文结构出现两个应力峰值，且在动态冲击下小于蜂窝结构的应力峰值。得到开尔文结构在平台应力阶段与蜂窝结构平台应力接近，大于正六面体结构的平台应力的结论。通过对比能量吸收曲线，得出开尔文结构线性阶段吸收单位体积能量时应力较小，能量吸收总量稍微小于蜂窝结构、远远大于正六面体结构的结论。

目录

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第一章 绪论

1.1 缓冲吸能材料的研究现状

1.2 空间多面体结构的研究现状

1.3 本文的主要研究内容及其创新点

第二章 开尔文结构力学性能有限元分析

2.1 本章引言

2.2 有限元法

2.3 开尔文结构有限元模型的建立

2.4 开尔文结构恒定速度动态冲击有限元分析

2.5开尔文结构动态跌落冲击有限元分析

2.6 本章小结

第三章 开尔文结构与蜂窝和正六面体结构的力学性能比较

3.1 本章引言

3.2 恒定速度动态冲击有限元分析

3.3 跌落动态冲击有限元分析

3.4 本章小结

第四章 缓冲结构的能量吸收研究

4.1 本章引言

4.2 能量吸收机制和表征

4.3 开尔文结构的能量吸收曲线

4.4 开尔文结构与蜂窝和正六面体结构能量吸收曲线

4.5 本章小结

第五章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢