醋酸纖維包裝緩沖力學(xué)性能仿真與試驗(yàn)研究

張鵬，沈偉，鐘琳，曹云祥，曾雄偉，褚瑋，馮茂碩，齊佳偉

醋酸纖維包裝緩沖力學(xué)性能仿真與試驗(yàn)研究

張鵬1，沈偉1，鐘琳1，曹云祥1，曾雄偉1，褚瑋1，馮茂碩2，齊佳偉3

（1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，武漢 430000；2.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068；3.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

探究醋纖包裝樣棒對爆珠的緩沖力學(xué)性能，減少樣棒在高速輸送時(shí)因受到?jīng)_擊載荷導(dǎo)致爆珠破損。采用超彈性模型的方法對爆珠材料的本構(gòu)模型進(jìn)行定義，通過仿真與程序迭代完成材料超彈性模型2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的確定；運(yùn)用Abaqus軟件對醋纖包裝樣棒進(jìn)行軸向和徑向擠壓仿真，最后通過搭建試驗(yàn)臺對樣棒與爆珠分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和擠壓試驗(yàn)。超彈性材料參數(shù)為10=5.2 MPa、1=0.38 kPa時(shí)，仿真計(jì)算出壓板下壓力與爆珠理論所承受的最大壓力值的相對誤差為3.4%，符合醋纖包裝樣棒緩沖力學(xué)性能的仿真要求。隨著樣棒徑向和軸向擠壓量的逐漸增大，壓板的支反力也逐漸增大，醋纖包裝樣棒在承受軸向沖擊時(shí)對爆珠的緩沖效果更優(yōu)秀。爆珠材料本構(gòu)模型的建立及仿真試驗(yàn)分析為研究醋纖包裝樣棒的高速輸送提供了理論基礎(chǔ)。

醋纖包裝；爆珠；本構(gòu)模型；仿真

醋纖包裝是緩沖包裝的一種，由醋纖包裝樣棒本體與爆珠兩部分組成。通過使用顆粒嵌珠技術(shù)將含香精香料的液體小膠珠嵌入至醋纖包裝樣棒中，以此來改善醋纖包裝的氣味。在使用時(shí)，操作者可通過按捏爆珠致其破裂，使其內(nèi)置的液態(tài)香精香料融入醋纖包裝樣棒纖維中，達(dá)到增加濕度與提高香氣效果的作用。醋酸纖維具有透水量大、不吸附味道、彈性相對較好等特點(diǎn)，這為爆珠在醋纖包裝緩沖提供了一定的保護(hù)。通常爆珠由芯材和壁材兩部分構(gòu)成，壁材為用于包裹芯材的殼體，常用的壁材通常由明膠或植物膠類構(gòu)成[1-2]。

在醋纖緩沖包裝實(shí)際生產(chǎn)過程中，醋纖包裝樣棒的高速輸送時(shí)速度可達(dá)300 m/min。由于在輸送時(shí)運(yùn)輸路線曲折且空隙較小，輸送過程非常復(fù)雜，很容易受到?jīng)_擊載荷導(dǎo)致爆珠破損，又由于爆珠自身物理特性較脆且易破，醋纖包裝樣棒中大概有萬分之一的爆珠會發(fā)生破裂，這嚴(yán)重影響了醋纖緩沖包裝的產(chǎn)品質(zhì)量[3]。與此同時(shí)，由于爆珠被包裹在醋纖包裝樣棒中，無法通過肉眼確定是否破損。目前，國內(nèi)外常規(guī)的醋纖包裝樣棒外觀檢測設(shè)備多用于檢測氣泡、顏色等缺陷[4-6]，近些年來出現(xiàn)了一種醋纖包裝樣棒爆珠的檢測裝置，主要使用圖像檢測技術(shù)根據(jù)觸發(fā)后檢測信號的不同顯示出不同顏色，可準(zhǔn)確快速地檢測出醋纖包裝樣棒中是否存在爆珠破損，但該設(shè)備處于試驗(yàn)狀態(tài)，并未用于生產(chǎn)線的使用[7-8]。由此可見，由于醋纖樣棒中爆珠破損的情況較為復(fù)雜，且爆珠的破損檢測技術(shù)還不成熟。為了探究醋纖包裝樣棒中爆珠破損的主要原因及樣棒對爆珠的緩沖性能，本文采用有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方法對醋纖包裝模型進(jìn)行軸向和徑向仿真分析。

1 本構(gòu)模型

1.1 爆珠材料本構(gòu)模型建立

含有爆珠的醋纖包裝樣棒剖面視圖見圖1。嵌入醋纖包裝樣棒中的爆珠為液體小膠珠，其內(nèi)部包裹著不同類型的液體香料。根據(jù)爆珠材料的非線性特性，本文選擇超彈性模型來進(jìn)行爆珠材料的定義，模型定義中的應(yīng)變能量密度函數(shù)用于表征材料的狀態(tài)和相關(guān)的應(yīng)力。

Neo-Hookean模型是具有代表性、適用于多種聚合物及高分子材料的超彈模型（Hyperelastic）[9]。其應(yīng)變能密度函數(shù)表達(dá)式見式（1）。

圖1 醋纖包裝樣棒結(jié)構(gòu)模型

Fig.1 Structural model of acetate fiber packaging sample rod

(2)

式中：為泊松比；為彈性模量。

在爆珠擠壓過程中，外形由球體變?yōu)殚蠙烨蛐危螤钭兓昂笕鐖D2所示。

圖2 爆珠的擠壓模型

圖3 材料參數(shù)求解流程

1.2 爆珠材料本構(gòu)參數(shù)的驗(yàn)證

選用Abaqus仿真軟件對爆珠的材料參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，材料模型選用Neo-Hookean超彈性模型，材料類型為各向同性，輸入源選擇系數(shù)，輸入超彈性模型的穩(wěn)態(tài)參數(shù)10=5.2 MPa、1=0.38 kPa。因爆珠材料具有不可壓縮或近似不可壓縮的性質(zhì)，所以需要采用8節(jié)點(diǎn)六面體雜交減縮單元C3D8RH對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可得球體網(wǎng)格數(shù)量為73 984。在設(shè)置接觸屬性之前先對上下壓板進(jìn)行剛體化處理，并對壓板和爆珠的接觸類型設(shè)置為面-面接觸，2個(gè)剛體與爆珠接觸為硬接觸。在初始分析步中對下剛體板施加完全固定約束，對上剛體板施加沿軸負(fù)方向0.57 mm的位移，與方向的位移均為0。采用Abaqus靜力通用求解器求解，模擬爆珠擠壓過程。

由圖4可知，爆珠在下壓位移為0.57 mm時(shí)，S22方向上的最大壓應(yīng)力主要集中在爆珠與上下鋼板接觸區(qū)域，最大應(yīng)力為11.06 MPa，此時(shí)壓板所給予小球的壓力為13.388 N。綜上可得，爆珠在材料參數(shù)10=5.2 MPa、1=0.38 kPa時(shí)，仿真計(jì)算出壓板下壓力與爆珠理論所承受的最大壓力的相對誤差為3.4%。驗(yàn)證了爆珠超彈性模型中材料參數(shù)的準(zhǔn)確性，且滿足了醋纖包裝樣棒緩沖力學(xué)性能的仿真要求。

圖4 爆珠仿真結(jié)果及曲線

1.3 醋纖樣棒本構(gòu)模型

經(jīng)掃描電鏡（SEM）觀察可知，醋酸纖維樣棒的切口形狀較為規(guī)則；由其截面形態(tài)可看出，纖維無皮芯結(jié)構(gòu)，呈苜蓿葉形，周邊較為光滑，少有淺的鋸齒；縱面形態(tài)顯示纖維束表面形態(tài)光滑平坦，較為均一，有明顯的溝槽[11-13]。

醋纖包裝樣棒屬于各向異性材料，由大量連續(xù)長絲集束并卷曲而成的長條帶狀纖維束構(gòu)成，樣棒內(nèi)部都有一定的孔隙率。從圖5a可知，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線為非線性關(guān)系，其在材料的不同方向上具有不同強(qiáng)度和剛度。樣棒整體為圓柱形狀，表現(xiàn)最為明顯的就是其軸向和徑向彈性模量不同。軸向彈性模量要比徑向彈性模量大，且兩者之間存在一定的倍數(shù)關(guān)系。醋酸纖維樣棒降解前后應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示[14]，降解前后醋酸纖維素過濾棒的平均壓縮模量下降了15.14%。取降解前壓縮模量作為樣棒徑向的彈性模量。由圖5a可知，醋酸纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線在2%～7%時(shí)可看作線性變化，取應(yīng)變?yōu)?%～7%時(shí)的曲線圖，并提取醋酸纖維樣棒降解前的坐標(biāo)點(diǎn)，利用最小二乘法定義徑向模量可得樣棒徑向彈性模量徑向?yàn)?.402 MPa。這里樣棒軸向彈性模量軸向?yàn)? MPa。

圖5 醋纖包裝樣棒應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 醋纖包裝樣棒仿真

爆珠材料模型選用Neo-Hookean超彈性模型，材料類型為各向同性，超彈性模型的材料參數(shù)為10=5.2 MPa、1=0.38 kPa；在醋纖包裝樣棒徑向和軸向材料模型中均選擇各向同性的彈性模型，彈性模量分別為0.417 MPa和2 MPa，泊松比均為0.382 7。

仿真模型中考慮到模型的對稱性，建立3個(gè)參考線對醋纖包裝樣棒分別進(jìn)行切分，取模型的1/8進(jìn)行簡化計(jì)算，在靠近爆珠的部分網(wǎng)格設(shè)置更加緊密。取爆珠的網(wǎng)格類型為C3D8RH，醋纖包裝樣棒和壓板網(wǎng)格類型為C3D8R，可得徑向模型的網(wǎng)格總數(shù)為640 428，軸向模型網(wǎng)格總數(shù)為599 603。

如圖6所示，對模型、、這3個(gè)面分別施加對稱約束：（U1=UR2=UR3=0）、（U2=UR1= UR3=0）、（U3=UR1=UR2=0）。接觸類型采用面-面接觸。對徑向模型上的剛體施加沿軸負(fù)方向的徑向位移載荷，數(shù)值為0.85 mm，如圖6a所示；對軸向模型上的剛體施加沿軸負(fù)方向的軸向位移載荷，數(shù)值為2 mm，如圖6b所示。采用Abaqus通用求解器求解，模擬醋纖包裝樣棒擠壓過程。

圖6 徑向模型和軸向模型的邊界條件

醋纖包裝樣棒徑向模型仿真結(jié)果如圖7所示。在11方向上隨著下壓位移的逐漸增大，壓板的支反力也逐漸增大，如圖7a所示。但受到爆珠和醋纖包裝樣棒2種材料的組合的影響，施加下壓位移過大會發(fā)生材料的破壞行為，從而導(dǎo)致仿真出現(xiàn)錯(cuò)誤，如圖7d所示，因此在仿真過程中下壓位移建議不要超過0.85 mm。當(dāng)剛體壓板沿軸負(fù)方向下壓0.85 mm時(shí)，11方向上的最大應(yīng)力發(fā)生在爆珠與醋纖包裝樣棒的接觸區(qū)域，數(shù)值為0.371 MPa，此時(shí)壓板支反力為3.66 N。

醋纖包裝樣棒軸向模型仿真結(jié)果如圖8所示。在22方向上隨著下壓位移的逐漸增大，壓板的支反力也逐漸增大，如圖8a所示。當(dāng)剛體壓板沿軸負(fù)方向下壓2 mm時(shí)，22方向上的最大應(yīng)力發(fā)生在樣棒與爆珠的接觸區(qū)域，數(shù)值為0.151 MPa，對應(yīng)的壓板支反力為0.74 N。

綜上所述，對醋纖包裝樣棒分別進(jìn)行軸向和徑向力學(xué)性能分析，結(jié)果如表1所示。醋纖包裝樣棒在徑向和軸向受壓時(shí)其壓板支反力均小于爆珠的壓破強(qiáng)度，并且醋纖包裝樣棒在承受軸向力時(shí)對爆珠的緩沖效果更加優(yōu)秀。

圖7 醋纖包裝樣棒徑向模型仿真結(jié)果

圖8 醋纖包裝樣棒軸向模型仿真結(jié)果

表1 徑向和軸向受力狀態(tài)下醋纖包裝樣棒的力學(xué)性能

Tab.1 Mechanical properties of acetate fiber packaging sample rod under radial and axial stress

3 試驗(yàn)與分析

3.1 濾棒拉伸試驗(yàn)

設(shè)計(jì)一款專用工裝來固定醋纖包裝樣棒并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[15]，如圖9所示。工裝材質(zhì)選用不銹鋼，均采用M5內(nèi)六角螺栓進(jìn)行固定。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)Zwick Roell Z010對醋纖包裝樣棒進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖10所示。進(jìn)行拉伸后，帶紙皮醋纖包裝樣棒拉伸曲線和剝皮醋纖包裝樣棒拉伸曲線分別如圖11、圖12所示。

由圖11可知，帶紙皮醋纖包裝樣棒的拉斷強(qiáng)度約為23.45 N，伸長約為6.57 mm。載荷位移曲線發(fā)生斷崖式下滑，這是由于樣棒外部紙皮斷裂導(dǎo)致的。樣棒外部紙皮斷裂后，由內(nèi)部樣棒纖維本體繼續(xù)受力拉伸，拉力逐漸增大，直到發(fā)生完全撕裂。由圖12可知，剝皮樣棒的拉斷強(qiáng)度約為19.37 N，伸長量約為5.86 mm；拉伸曲線較為平滑，濾棒醋酸纖維本體受力拉伸，拉力逐漸增大，直到發(fā)生完全撕裂。

圖9 固定樣棒工裝

圖10 樣棒拉伸

圖11 帶紙皮樣棒拉伸曲線

3.2 爆珠擠壓試驗(yàn)

使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)Zwick Roell Z010進(jìn)行操作，并將精密拉壓工裝安裝在拉伸桿上進(jìn)行爆珠擠壓試驗(yàn)，如圖13—14所示。選取10顆粒直徑為3.5 mm的煙用爆珠樣品進(jìn)行重復(fù)性測試，測試出在壓縮速率為10 mm/min時(shí)爆珠的壓破強(qiáng)度和變形量。

圖12 剝皮樣棒拉伸曲線

圖13 壓爆后工裝打開形態(tài)

對直徑為3.5 mm的煙用爆珠樣品進(jìn)行重復(fù)性測試，在22方向上爆珠承受的載荷與變形量如表2所示。試驗(yàn)中直徑為3.5 mm的爆珠的壓破強(qiáng)度和變形量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為7.15%和7.02%。考慮到試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)值中使用爆珠的種類和壁材的不同，該誤差在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了直徑為3.5 mm的爆珠的壓破強(qiáng)度及爆珠材料參數(shù)（10=5.2 MPa、1=0.38 kPa）的準(zhǔn)確性。

圖14 爆珠擠壓破裂

表2 直徑為3.5 mm爆珠樣品檢測的重復(fù)性結(jié)果

Tab.2 Repetitive detection results of 3.5 mm burst bead sample

4 結(jié)語

根據(jù)上述分析可以得出結(jié)論如下：

1）經(jīng)Abaqus軟件仿真驗(yàn)證，在超彈性材料參數(shù)10=5.2 MPa、1=0.38 kPa時(shí)，仿真計(jì)算出壓板下壓力與爆珠理論所承受的最大壓力的相對誤差為3.4%，驗(yàn)證了超彈性模型下爆珠材料參數(shù)的準(zhǔn)確性。其次，爆珠材料本構(gòu)模型參數(shù)的選擇需分別考慮仿真與爆珠材料兩者的特點(diǎn)，并運(yùn)用迭代的方式進(jìn)行糾正，從而使仿真材料的屬性定義趨于真實(shí)。

2）對醋纖包裝樣棒軸向和徑向模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)可知，隨著徑向下壓位移的逐漸增大，壓板的下壓力也逐漸增大，在徑向擠壓量為0.85 mm時(shí)，壓板的下壓力為3.66 N，軸向擠壓量為2 mm時(shí)，壓板的下壓力為0.74 N。可得醋纖包裝樣棒在受徑向和軸向力時(shí)，壓板支反力均小于爆珠壓破強(qiáng)度。其次，醋纖包裝樣棒在承受軸向力時(shí)對爆珠的緩沖效果更加優(yōu)秀，為研究醋纖包裝樣棒在生產(chǎn)輸送過程中對爆珠的緩沖特性提供了理論基礎(chǔ)。

3）通過對帶紙皮醋纖包裝樣棒和剝皮醋纖包裝樣棒進(jìn)行拉伸試驗(yàn)可知，帶紙皮樣棒中的拉伸曲線由于樣棒外部紙皮斷裂會發(fā)生斷崖式下降的現(xiàn)象，而剝皮樣棒的拉伸曲線相對來說較為平滑。其次，通過對爆珠進(jìn)行擠壓試驗(yàn)可知，試驗(yàn)中直徑為3.5 mm的爆珠的壓破強(qiáng)度和變形量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為7.15%和7.02%，驗(yàn)證了直徑為3.5 mm的爆珠的壓破強(qiáng)度及爆珠材料參數(shù)（10=5.2 MPa、1=0.38 kPa）的準(zhǔn)確性。

4）在仿真過程中，受爆珠和醋纖包裝樣棒2種材料的組合的影響，施加下壓位移過大時(shí)會發(fā)生材料破壞行為，從而導(dǎo)致仿真出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此在仿真過程中下壓位移建議不要超過0.85 mm。

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Simulation and Experimental Study of Cushioning Mechanical Properties of Acetate Fiber Packaging

ZHANG Peng1, SHEN Wei1, ZHONG Lin1, CAO Yun-xiang1, ZENG Xiong-wei1, CHU Wei1, FENG Mao-shuo2, QI Jia-wei3

(1. Wuhan Cigarette Factory, China Tobacco Hubei Industry Co., Ltd., Wuhan 430000, China; 2. School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China; 3. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, China)

The work aims to explore the cushioning mechanical properties of acetate fiber packaging sample rod for burst bead, and reduce the damage of the burst bead caused by the impact load of the sample rod during high speed transportation. The constitutive model of the burst bead material was defined by the superelastic model method, and the two key parameters of the material hyperelastic model were determined through simulation and program iteration. In addition, Abaqus software was used to simulate the axial and radial extrusion of the acetate fiber packaging sample rod. Finally, a test platform was established to carry out tensile test and extrusion test on the sample rod and burst bead. When the superelastic material parameters were10=5.2 MPa and1=0.38 kPa, the relative error between the pressure F of pressure plate and the maximum pressure borne by the bead burst was 3.4% after calculated through simulation, which met the simulation requirements of the cushioning mechanical properties of the acetate fiber packaging sample rod. With the gradual increase of the radial and axial extrusion displacement of the acetate fiber sample rod, the support force of the pressure plate also gradually increased, and the cushioning effect of the acetate packaging sample rod on the burst beads under axial force was better. The establishment of constitutive model for burst bead material and the simulation test analysis provide a theoretical basis for the high speed transportation of acetate fiber packaging sample rod.

acetate fiber packaging; burst bead; constitutive model; simulation

TB484.9；TB485.1

A

1001-3563(2023)15-0236-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.031

2022?09?30

湖北省支持企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展項(xiàng)目（2021BAB010）；湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司研發(fā)基金（2022JSGY3WH2B003）

張鵬（1979—），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)樵O(shè)備技術(shù)研究及管理。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋