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1、缓冲防护材料计算机辅助优化设计系统№.4?6O?陕西科技大学JOURNALOFSHAANXIUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOIOGYAug.2006Vo1.24文章编号:1000--5811{2006}04—0060—05缓冲防护材料计算机辅助优化设计系统孙德强(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室,陕西西安710072)摘要:在航空,建筑,汽车,交通运输和包装等领域的缓冲防护中进行缓冲材料优化设计时,采用产品缓冲包装设计中通用的方法(国标GB8166—87,缓冲系数C与最大应力曲线法,最大加速
2、度G与静应力曲线法)存在很多明显的缺陷.作者将国际上最新使用的基于能量吸收图法的缓冲防护设计技术应用于缓冲防护材料优化设计中,并采用计算机进行了辅助设计.为此,首先分析了缓冲防护材料计算机辅助设计系统的需求,功能和模块组成;而后对系统进行了详细设计,重点设计和实现了缓冲防护材料能量吸收图生成与优化设计两大功能模块;最后利用所开发的系统对常见的缓中防护设计问题进行了实例求解,并将计算结果与国标中的计算结果做了对比分析.对比分析和跌落实验证明能量吸收图法不仅克服了传统方法的弊端,能够满足缓冲防护设计要求,而且该方法的设计结果更有效利用了缓冲
3、防护材料的缓冲性能.关键词:缓冲防护计算机辅助设计;缓冲防护材料;优化设计;能量吸收图;算法;实现中图分类号:TP319:TB485.1文献标识码:A0引言缓冲防护材料大都是多孔材料,因其质轻并具有良好的吸能性,被广泛应用到航空,建筑,运输,汽车和包装等领域的防护中.缓冲防护的目的是在一定的不致产品发生损坏的应力水平下,充分吸收冲击能量,保护被护对象.在有关产品包装防护设计的国标GB8166—87和相关书籍]中有传统的缓冲包装设计方法:缓冲系数C_最大应力曲线和最大加速度G一静应力曲线法.前者是由动态或静态法测得的缓冲材料应力应变曲线生
4、成的,而后者是对同一缓冲材料进行不同高度的冲击实验后测得的.这两类曲线分别记录了某不同厚度的缓冲材料的缓冲系数与最大应力的关系,以及最大加速度与静应力的关系.从理论上来说,这两类设计理论是可行的,但它们还存在很多问题:(1)同一种材料要进行多次随机静态或动态实验,实验数据不一定完全代表该缓冲材料性能;(2)有时还要对不同厚度的某一缓冲材料进行实验,数据的获取和整理工作复杂;(3)缓冲材料大多是多孔材料,其缓冲性能最主要的影响因素是相对密度,在缓冲设计时应该着重于缓冲材料相对密度的确立,而以上两种方法并没有考虑;(4)缓冲材料大都是粘滞性
5、材料,其应力应变曲线受应变率(或温度)的影响,所以在缓冲设计时要与动态的实际情形相吻合,考虑应变率(或温度)的影响,以上两种方法并没有很好考虑;(5)缓冲防护优化设计应该是建立在丰富材料数据的基础上,对材质,相对密度和厚度进行优化设计,而上述两种方法所建立的数据很有限,不可能完成这样的优化设计.收稿日期:2006—05—25作者简介t孙德强(1976一),男,山东省沂水县人,讲师,在读博士生,研究方向:包装计算机辅助技术基金项目:西安市工业攻关计划项目(GG200314)第4期孙德强:缓冲防护材料计算机辅助优化设计系统?61?Maiti
6、等于1984年[2最早提出了能量吸收图法,基于此方法Gibson等人于1997年在其书[3中详细介绍了该方法在包装等防护领域中的算法.国内很多学者所设计的缓冲防护计算机辅助设计系统中采用的防护设计方法仍是GB8166—87中的方法n].缓冲防护设计广泛应用于航空,建筑,运输,包装和汽车等领域,这种设计所涉及的计算工作量和数据信息量十分庞大,必须采用计算机来进行.国外所开发的用于航空器着陆,汽车赛车等领域的防护设计软件是高度机密的,国内又没有基于该能量图法的相关软件.基于此,本文研究并设计了基于能量吸收图的缓冲防护设计系统,首先对系统进行
7、了需求分析,然后设计并实现了系统,最后进行了实例计算.2系统的需求分析2.1系统的功能缓冲防护是在已知被护对象所能承受的最大加速度条件下,计算优化缓冲防护材料的材质,相对密度,衬垫面积和厚度.本系统所基于的设计方法是能量吸收图法,所以本系统应具有下功能:(1)可以实现缓冲防护材料优化设计的基本功能:根据各缓冲防护材料的能量图信息进行优化防护设计,得到优化的泡沫材质,相对密度,衬垫面积和厚度.(2)本系统所基于的基础数据是缓冲防护材料的应力一应变曲线,单位体积标准化能量一标准化蜂应力曲线,所以本系统应能管理,维护和生成缓冲防护材料的各类能
8、量曲线.(3)能够对某一被护对象,在不同情形(防护材料材质已知或未知)下利用相应的优化算法对被护对象进行防护优化设计.(4)能够完成衬垫结构设计.根据优化设计后衬垫的面积和厚度,衬垫结构要求及被护对象的外形
