EPE結(jié)構(gòu)因素對靜態(tài)緩沖性能影響的仿真與試驗分析

■ 文/馮紅蜻，侯瓊，任慧慧

（1.深圳光大同創(chuàng)新材料股份有限公司；2.天津茂創(chuàng)科技發(fā)展有限公司）

0 引 言

商品的有效流通需要緩沖材料的有效保護，緩沖材料中發(fā)泡聚乙烯，俗稱EPE，因其良好的緩沖性能而被廣泛應(yīng)用于小型機電產(chǎn)品、儀器、玻璃器皿及食品等緩沖包裝[1]。不少學者及機構(gòu)對影響EPE材料靜態(tài)壓縮性能的各個因素進行了分析與研究。肖雯娟等人[2]對常用密度EPE、一次成型及多層復合EPE靜態(tài)緩沖特性進行試驗研究表明，在一定范圍內(nèi)密度大的EPE緩沖性能更好，在應(yīng)變＜50%范圍內(nèi)，一次成型EPE承壓優(yōu)勢比多層復合EPE要好；都學飛[3]對不同厚度EPE靜態(tài)試驗研究表明，較厚的EPE緩沖性能較好，另還表明EPE的載荷-位移曲線呈正切函數(shù)特征。還有學者在EPE工程應(yīng)用相關(guān)方面進行研究，田芃等人[4]通過4種不同裁切方式靜態(tài)壓縮試驗研究比對分析，表明EPE裁切次數(shù)增加使材料剛度降低，說明尺度效應(yīng)對EPE性能有明顯影響；李淑娟等人[5]對正棱臺EPE緩沖墊進行靜態(tài)緩沖性能研究，研究表明在同等應(yīng)力水平下，異型與普通型EPE緩沖墊能量吸收基本一致，在同等應(yīng)變水平下，異型EPE緩沖墊的能量吸收小于普通型EPE緩沖墊。載荷較小時，異型EPE緩沖墊的緩沖系數(shù)要小于普通型EPE緩沖墊，且隨著應(yīng)力的增大，兩者間的差距逐漸減小。

作為工程應(yīng)用人員，除了EPE結(jié)構(gòu)設(shè)計以外，還要綜合考慮成本、EPE材料的加工復雜性、包裝操作人員的便捷性、包裝件外尺寸對堆棧的影響等因素。在EPE的結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要將多種單因素綜合考慮，如材料密度、厚度、材料受壓面積和結(jié)構(gòu)變化等。依據(jù)國家標準測試的材料緩沖性能與實踐設(shè)計中因結(jié)構(gòu)變化對緩沖性能的影響所產(chǎn)生的差別，成為目前EPE包裝設(shè)計需要解決的工程問題。綜合考慮EPE結(jié)構(gòu)因素與標準測試所體現(xiàn)的靜態(tài)緩沖性能的差別影響，需要由試驗對比來反映其重要的應(yīng)用價值。更為重要的是，建立快速準確的分析方法對企業(yè)服務(wù)客戶具有深遠意義。因此，本文從EPE材料的標準靜態(tài)壓縮測試和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性能測試出發(fā)，結(jié)合有限元仿真分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)因素對EPE靜態(tài)緩沖性能的影響，并探討仿真分析在EPE靜態(tài)緩沖實驗中的應(yīng)用價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與規(guī)格

試驗采用的材料為密度為28（±2）kg/m3多層復合EPE發(fā)泡緩沖材料，通過調(diào)整如表1所列的參數(shù)備樣：平板結(jié)構(gòu)中厚度（TD）、面積（L×W）變化，以平板結(jié)構(gòu)為底部復合圍框結(jié)構(gòu)和不同圍框高度（TK）變化，試驗用EPE結(jié)構(gòu)變化如圖1、圖2所示。

圖1 EPE結(jié)構(gòu)變化示意圖

圖2 EPE結(jié)構(gòu)變化中涉及的參數(shù)示意圖

表1 EPE材料結(jié)構(gòu)變量及規(guī)格

1.2 仿真與試驗測試方法

參考GB/T 8168—2008《包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗方法》，采用CTM8010的伺服式萬能材料試驗機以12±3 mm/min的加載速度對EPE材料進行靜態(tài)壓縮測試。如圖3a所示為國標中規(guī)定的靜態(tài)壓縮測試示意，100×100 mm2的EPE在上下剛性壓盤全覆蓋下將進行試驗。本文用自制的面積為100×100 mm2的方形壓盤對置于剛性底板上的不同結(jié)構(gòu)EPE材料進行靜態(tài)壓縮試驗，如圖3b所示。

以圖3a中標準測試所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為Abaqus中低密度泡沫模型中EPE材料，并在此定義下對不同結(jié)構(gòu)變化的EPE材料進行仿真分析。

圖3 靜態(tài)壓縮試驗示意圖

2 仿真結(jié)果、試驗結(jié)果及對比分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)EPE的靜態(tài)壓縮仿真結(jié)果與分析

用仿真軟件對三種不同底面積的平板EPE材料進行分析：用標準中規(guī)定的方式分析100×100 mm2的試樣，和用100×100 mm2剛性壓頭壓縮底面積150×150 mm2和200×200 mm2的方式分析EPE材料。

如圖4所示為不同底面積下，材料厚度對能量吸收效果的仿真結(jié)果，在三種底面積的平板EPE材料顯示出相同的趨勢：EPE材料的能量吸收隨著材料的厚度的增加而增加。

圖4 三種底面積下，平板結(jié)構(gòu)EPE材料隨著厚度變化的應(yīng)變-能量吸收仿真結(jié)果

將平板材料相同厚度不同底面積的應(yīng)變-能量吸收情況進行分析，結(jié)果如圖5所示：（1）相同厚度下的EPE平板材料，其表面積的變化能夠影響其能量吸收能力。當受力面積（即被包裝產(chǎn)品表面積）為定值，增大材料表面積能夠有效的改善能量吸收能力，隨著受壓面積由100×100 mm2增加至200×200 mm2，相同應(yīng)變條件下對應(yīng)的能量吸收值隨表面積的增加而加大，但增加率隨面積的增加趨緩。以厚度50 mm的EPE材料為例分析，當應(yīng)變?yōu)?5%時，材料表面積為100×100、150×150和200×200 mm2材料的能量吸收值分別為40.3 J、52.5 J和54.5 J。底邊變長從100 mm增加到150 mm，75%應(yīng)變下能量吸收增加了30.3%，而150 mm與200 mm差值僅為3.8%，且兩條曲線基本重合。

圖5 150×150 mm2不同厚度的底部EPE材料隨著疊加有框結(jié)構(gòu)變化的應(yīng)變-能量吸收仿真結(jié)果

（2）隨著材料厚度增加，表面積的變化對EPE結(jié)構(gòu)體能量吸收影響程度也隨之增加。當厚度從20 mm、30 mm、40 mm到50 mm變化時，底面積為150×150 mm2的EPE材料相比與100×100 mm2，在應(yīng)變?yōu)?5%時能量吸收分別提高了12.58%、19.49%、23.14%和30.50%。

在EPE的設(shè)計中，復合圍框結(jié)構(gòu)通常用來實現(xiàn)產(chǎn)品的包裹、定位并在棱角處對產(chǎn)品進行保護，是EPE結(jié)構(gòu)設(shè)計中最普遍的一種結(jié)構(gòu)形式。圖6所示的仿真結(jié)果是對不同厚度的平板材料復合不同高度的圍框進行比較分析。

圖6 150×150 mm2不同厚度的底部EPE材料隨著疊加有框結(jié)構(gòu)變化的應(yīng)變-能量吸收仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果中可見：

（1）相比于無圍框結(jié)構(gòu)，圍框結(jié)構(gòu)能使EPE材料吸收更多能量；

（2）同一底部厚度下，圍框高度從20 mm、30 mm、40 mm增加到50 mm，材料的能量吸收效果沒有顯著的變化；

（3）從相同應(yīng)變下，相同圍框高度下，圍框?qū)秃辖Y(jié)構(gòu)EPE的能量吸收影響程度會隨著底部材料厚度的增加而增加。當應(yīng)變?yōu)?5%時，隨著復合圍框結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，20 mm高度的圍框復合，使得底部厚度為20 mm、30 mm、40 mm和50 mm的底厚EPE材料，其能量吸收分別提高了2.3%、8.3%、11.9%和30.2%。

相同的仿真結(jié)果也出現(xiàn)在底部表面積為200×200 mm2的EPE材料復合不同圍框結(jié)構(gòu)的仿真中，此處不做贅述。

仿真結(jié)果表明，EPE底部材料的厚度、面積以及復合圍框結(jié)構(gòu)都對EPE材料靜態(tài)緩沖效果產(chǎn)生不同程度的影響，而且底面積與復合圍框結(jié)構(gòu)對不同底厚度的EPE材料產(chǎn)生的影響程度卻大不相同。這一結(jié)果進一步表明，相較于單因素的性能分析，綜合考慮EPE結(jié)構(gòu)變化對于EPE的設(shè)計應(yīng)用更具參考價值。

2.2 不同結(jié)構(gòu)EPE靜態(tài)壓縮試驗分析

結(jié)合考慮仿真結(jié)果中各參數(shù)變化對EPE結(jié)構(gòu)體靜態(tài)壓縮能量吸收效果，靜態(tài)壓縮試驗中EPE結(jié)構(gòu)參數(shù)變量設(shè)置如表2所示。

表2 靜態(tài)壓縮試驗中EPE材料結(jié)構(gòu)變量及規(guī)格

如圖7所示的是平板EPE材料不同底面積，不同厚度下靜態(tài)壓縮試驗所得的應(yīng)變-能量吸收數(shù)據(jù)。

（1）能量吸收隨著材料底部厚度的增加而增加，與仿真結(jié)果相仿。因為在相同應(yīng)變的條件下，厚度高的材料其對應(yīng)的變形越大，吸收的能量也隨之越高[6]；

圖7 平板EPE材料應(yīng)變-能量吸收靜態(tài)壓縮試驗結(jié)果

（2）相同厚度下，能量吸收隨著底部材料面積的增大而增大。這是因為EPE是通過內(nèi)部泡體結(jié)構(gòu)受壓變形來吸收能量，在受力面積相同時，受壓面積下的泡體結(jié)構(gòu)會受到外側(cè)相鄰泡體結(jié)構(gòu)的牽引，阻止其形變，表現(xiàn)為相同應(yīng)變下需要更大的壓力，從而影響緩沖保護效果。隨著泡體距離受壓位置的距離越遠，對受壓處泡體材料的牽制力越小，就表現(xiàn)為底面積從150×150 mm2與200×200 mm2之間緩沖保護效果并沒有太大的差別。

（3）從應(yīng)變-能量吸收曲線可看出，150×150×30 mm3與100×100×40 mm3、150×150×40 mm3與100×100×50 mm3的EPE平板材料曲線基本重合。當應(yīng)變?yōu)?5%時，兩組曲線的能量吸收差比3.1%和1.7%。說明調(diào)整底面尺寸或材料厚度可使EPE材料實現(xiàn)相同的靜態(tài)緩沖保護效果。

如圖8所示為復合圍框結(jié)構(gòu)對不同厚度EPE材料能量吸收的靜態(tài)壓縮試驗結(jié)果：在應(yīng)變?yōu)?～50%之間，圍框結(jié)構(gòu)與平板結(jié)構(gòu)材料的能量吸收基本相同，當應(yīng)變大于50%后，復合圍框結(jié)構(gòu)比平板結(jié)構(gòu)吸收更多的能量。這是因為EPE材料受壓變形中隨著底部材料形變的增加會引起圍框結(jié)構(gòu)的內(nèi)凹收縮，增大了壓頭側(cè)面與圍框之間的摩擦，導致產(chǎn)生相同應(yīng)變需要更多的力，表現(xiàn)為EPE復合圍框結(jié)構(gòu)會吸收更多的能量，也就具有更好的緩沖效果。

圖8 不同底厚度EPE材料應(yīng)變-能量吸收靜態(tài)壓縮試驗結(jié)果

（三）仿真與試驗對比分析

如圖9所示，為平板結(jié)構(gòu)EPE材料不同面積、不同厚度下仿真與試驗結(jié)果的對比，和復合圍框結(jié)構(gòu)EPE材料不同底厚下試驗與仿真的對比。

圖9 不同結(jié)構(gòu)EPE材料靜態(tài)壓縮仿真與試驗結(jié)果對比

從圖9a中平板EPE材料的應(yīng)變-能量吸收曲線看出：（1）當材料厚度為20 mm、30 mm和40 mm時，Abaqus在EPE靜態(tài)壓縮試驗中的仿真曲線與試驗測試曲線擬合度高，仿真數(shù)據(jù)準確；（2）當材料厚度為50 mm時，底面積為200×200 mm2和150×150 mm2的平板結(jié)構(gòu)EPE材料仿真結(jié)果中的能量吸收比試驗結(jié)果高，分別高了6.66%和5.3%，而對于100×100 mm2的平板結(jié)構(gòu)EPE材料，仿真與實驗結(jié)果曲線完全重合。

這是由于EPE材料在試驗測試中，當壓頭面積小于測試材料表面積時，即在200×200 mm2和150×150 mm2的材料測試中，在100×100 mm2的剛性壓頭逐漸使材料在受壓變形中，對材料在沿壓頭的周邊產(chǎn)生了根切現(xiàn)象，一定程度上破壞了材料本體結(jié)構(gòu)，從而導致能量吸收降低。但在仿真過程中默認材料本體為連續(xù)相、不發(fā)生斷裂，導致仿真結(jié)果出現(xiàn)的差異。加上在相同的應(yīng)變下，隨著底部材料厚度的增加，材料的形變程度加劇、壓頭對EPE材料的破壞程度也隨之加強，導致了仿真與實驗結(jié)果的擬合度會因不同材料厚度不同而產(chǎn)生差異：在材料厚度為40 mm以下的EPE材料仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相似，擬合度高，而50 mm的EPE材料仿真數(shù)據(jù)高于試驗數(shù)據(jù)。當壓頭面積大于或等于測試材料表面積時，即用標準測試方式測試表面積為100×100 mm2的材料時，材料不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的破損撕裂，此時仿真結(jié)果與測試結(jié)果高度擬合。

如圖9b所示，復合圍框結(jié)構(gòu)的仿真與試驗對比中，出現(xiàn)了平板結(jié)構(gòu)下仿真與試驗對比中相同的結(jié)論。底部厚度＜50 mm時，仿真與試驗結(jié)果擬合度高，底部厚度為50 mm時，仿真中的能量吸收比試驗測試的能量吸收高了6.9%。

綜合不同結(jié)構(gòu)變化下EPE材料的仿真與試驗對比，當受力面積小于材料表面積時，EPE受壓厚度低于50 mm的仿真曲線與試驗曲線擬合度高，仿真數(shù)值準確。在此條件下，Abaqus能實現(xiàn)快速、準確地靜態(tài)壓縮仿真；材料受力厚度為50 mm時，不同結(jié)構(gòu)下的仿真數(shù)據(jù)略高于試驗數(shù)據(jù)，差值在7%以內(nèi)，Abaqus能夠?qū)崿F(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的快速分析，可用于趨勢性的預測。當受力面積大于等于材料表面積時，Abaqus對不同厚度的材料均能實現(xiàn)準確的預測。

3 結(jié)論與展望

靜態(tài)壓縮試驗與仿真結(jié)果都表明，結(jié)構(gòu)變化對EPE的靜態(tài)緩沖效果產(chǎn)生影響，材料表面積與材料厚度、復合圍框結(jié)構(gòu)均對緩沖效果有影響，即相同受壓應(yīng)力條件下，對材料的標準測試所獲得的數(shù)據(jù)與帶有結(jié)構(gòu)設(shè)計后的緩沖性能具有性能差異。試驗與仿真分析對于工程設(shè)計人員在多變量下的綜合條件下理解緩沖效果的影響更具參考價值。Abaqus仿真在EPE的靜態(tài)壓縮仿真中與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，能夠幫助設(shè)計人員在緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計中對EPE緩沖性能進行快速分析，節(jié)約反復打樣及試驗時間，提高設(shè)計效率。

靜態(tài)壓縮試驗中，EPE的緩沖性能不僅與材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還受到材料密度的影響。本文只對單一密度下的靜態(tài)壓縮試驗進行分析，對不同密度下的結(jié)構(gòu)變化，以及在受壓面積下的結(jié)構(gòu)變化對緩沖效果的影響也需要完善與分析。