随机振动下产品包装系统减振优化研究

应用高级传递路径分析(ATPA)方法试验研究了随机振动不同振动等级下电脑主机包装件各缓冲衬垫到关键元件的振动传递特性,并进行了缓冲衬垫振动贡献分析与减振优化设计。结果表明:电脑主机两个关键元件的实测振动响应与ATPA方法的合成响应一致,验证了ATPA方法的正确性;当各缓冲衬垫面积相同时,电脑主机关键元件同侧的两个缓冲衬垫对其加速度响应起决定作用,为关键缓冲衬垫;关键缓冲衬垫的面积影响着关键元件加速度响应PSD峰值大小和频率范围,随着关键缓冲衬垫面积的增加,关键元件加速度响应PSD峰值逐渐减小至饱和状态,共振峰形状变平滑,振动响应能量分散到更宽的频率范围。减振优化设计可保持非关键缓冲衬垫不变,只增加关键缓冲衬垫的面积。

随机振动下产品包装系统的传递路径数值仿真与实验研究

针对产品内部质量分布不均、材料和结构特性不同,建立产品包装系统模型,通过数值仿真和实验研究产品包装系统的振动传递特性,并探究在限带白噪声谱和ASTM卡车运输谱激励下产品包装系统的振动响应规律。利用状态空间法和MATLAB/Simulink仿真工具对产品包装系统进行随机振动仿真分析,研究缓冲衬垫材料参数对路径的频响传递函数和产品动态响应的影响。研究结果表明:在产品的四条振动传递路径中,刚度和质量分布大的路径上的频响传递函数和质量块的振动响应更大;产品内部的阻尼参数对各路径的频响传递函数和质量块的加速度响应基本无影响;关键元件上的加速度响应大小介于产品各路径上质量块的加速度响应大小之间;较大的缓冲衬垫阻尼有利于降低关键元件上加速度响应功率谱(PSD)的共振峰大小,较大的缓冲衬垫刚度使关键元件响应PSD共振频率和共振峰值均增大。外部激励谱型、系统的振动传递特性和共振频率附近的激励谱能量对缓冲衬垫的减振效果均有影响。仿真分析和实验研究下的产品包装系统的随机响应规律具有一致性。

随机振动下产品包装件动态响应的实验研究和有限元分析

实验研究了产品包装件在四种振动等级、三种约束方式下的随机振动特性,采用有限元法进一步分析固定约束方式下产品包装件的响应特性以及纸箱和衬垫的应力和变形情况。研究结果表明,产品的加速度响应功率谱主要取决于共振区域的激励加速度功率谱,包装起到了在共振区域的带通和放大作用。随着约束方式的加强,产品包装件共振频率增大,固定约束方式下的共振加速度功率谱峰值明显大于无约束和弹性约束方式下的共振加速度功率谱峰值。有限元计算得到的共振频率和产品加速度功率谱与实验结果较好吻合,产品加速度功率谱峰值对系统阻尼系数十分敏感。有限元法为物流随机振动环境作用下产品包装件的分析与设计提供了有效手段。

随机振动下产品包装系统传递路径分析

实验研究不同激励谱型、不同振动等级、不同缓冲衬垫厚度和不同衬垫分配方式下产品包装系统的振动响应规律,利用工况传递路径分析法(OTPA)量化随机振动下产品包装系统各传递路径的振动贡献量。结果表明:当振动等级较高时,包装件出现轻微跳动现象,系统振动响应增大,共振频率略微减小;随着缓冲衬垫厚度的增加,系统共振频率减小,不同激励谱下关键元件的加速度响应功率谱密度(PSD)有所差异,振动响应与系统共振频率处的激励能量大小有关,衬垫厚度对各路径的振动贡献量影响较小;衬垫分配方式对关键元件上的响应PSD影响较大,不同衬垫分配方式可调节各传递路径的振动贡献量大小;当缓冲衬垫面积均匀分配时,利用OTPA方法识别出系统的主要振动贡献路径,将其定义为关键振动传递路径,关键元件的响应与关键振动传递路径在共振频率附近的振动贡献量紧密相关,缓冲包装设计应重点关注关键振动传递路径的减振设计。研究结果为进一步研究缓冲包装设计方法提供理论支撑。

托盘堆码包装单元随机振动响应的实验研究

散装货物的托盘堆码单元是常见的运输包装形式。实验研究散装货物托盘堆码单元在随机振动激励下的产品加速度响应规律,分析产品响应的机制,讨论激励谱型、振动等级、约束方式和产品位置的影响。结果表明:托盘堆码系统各层产品加速度响应主要由一阶频率控制,底层产品还受到高阶频率的影响。激励谱型尤其是第一共振点附近的功率谱值会对单元的产品响应产生重要影响;当振动较大时,底层产品与上层产品的加速度响应特征明显不同,底层产品与支撑托盘或上层产品之间会出现分离,产生较大的冲击信号,导致底层产品加速度响应的超高斯分布;捆扎带的拉压性能不对称(非线性)导致了上层产品加速度响应信号的不对称及其分布的左偏态超高斯特性;拉伸膜缠绕裹包强化了捆扎带对单元的约束,有效抑制了产品的响应。

堆码包装产品响应的非高斯特征

研究随机振动下三层堆码包装产品加速度响应的非高斯特征,讨论引起非高斯响应的原因。试验结果表明:无约束条件下,上层包装件出现明显跳动,产品加速度响应的概率密度分布呈现非高斯分布,中层包装产品响应加速度的概率密度分布与高斯分布有一定程度的偏离,下层包装产品响应加速度较为接近高斯分布;弹性约束条件下,当振动强度较大时,上层包装产品响应加速度的概率密度分布与高斯分布偏离程度较大;在固定约束时,包装件跳动受到限制,各层包装产品响应加速度基本符合高斯分布。

托盘运输包装单元冲击响应的试验与有限元分析

通过试验与有限元分析(FEA)相结合的方法研究了蛋白粉罐托盘堆码包装单元在水平方向和竖直方向的冲击响应特征,分析了不同约束方式和冲击位置对该系统响应的影响规律。结果表明:该托盘堆码包装单元具有多个共振点,在100 Hz以内主要由前三阶共振频率控制;薄膜加4条打包带约束方式下的二阶共振频率和三阶共振频率均大于6条打包带和4条打包带的约束方式,而6条打包带的约束方式和4条打包带的约束方式前三阶共振频率相接近;有限元计算得到的共振频率和产品加速度响应曲线趋势与试验结果较吻合,且冲击力载荷与最大响应位移以及最大响应加速度呈现非线性关系。有限元法可为物流冲击环境作用下产品包装件的分析与设计提供有效指导。

不同谱型激励下包装件动态响应研究

根据正弦扫频振动试验结果设置共振频率区域谱型相同、非共振频率区域谱型不同的两种加速度随机振动功率谱(PSD)激励。研究了非线性包装系统在3种约束、3种振动等级下,上述两种谱型激励对产品加速度响应和包装件动压力响应的影响。研究结果表明:相同约束和激励等级条件下,两种激励谱在激励相同的区域产品加速度响应PSD基本一致,包装件动压力响应PSD也基本一致;当振动强度较高时,由于阻尼影响,共振点附近小范围内两种谱型激励的响应存在一定偏差;两种谱型激励的加速度响应概率密度分布大致相同,且加速度响应的均值、均方差、偏度和峭度均比较接近;两种谱型激励下动压力峰值分布存在一定差异,谱型1的动压力峰值分布更窄、更高,但两种谱型激励下动压力响应的均值、均方差、均值穿越次数、峰值数和带宽系数均比较接近;共振区域的激励控制了整个非线性包装系统的响应。

运输包装随机振动疲劳曲线及加速振动试验技术

推导了运输包装三轴随机振动激励下产品上关注点的vonMises等效应力与激励加速度均方根值的关系,证明了关注点处材料应力疲劳曲线(σ⁃N曲线)和运输包装振动疲劳曲线(G_(rms)⁃T曲线)的等价性;针对两类工程上常用的Basquin型(幂函数型)和指数函数型损伤和疲劳模型,给出了其G_(rms)⁃T曲线形式,得到了基于G_(rms)⁃T曲线的运输包装加速随机振动时间压缩比,并通过产品模型有限元算例验证了其正确性。由于加速度易于分析和测量,因此基于G_(rms)⁃T曲线的运输包装加速随机振动试验技术具有潜在的应用价值和进一步研究发展空间。

智能包装技术及应用

智能包装技术引起了学术界和工业界的普遍关注。对智能包装技术与应用进行了综述,重点讨论智能包装与智能包装系统,分析实现智能包装的传感器技术、指示剂和无线射频识别技术,简要介绍智能化包装工业和智能包装发展的主要方向。

两层计算机堆码包装动力学试验研究

通过正弦扫频和随机振动试验,研究了不同输入加速度谱谱型、不同振动等级和不同预压力条件下两层计算机堆码包装的动力学响应规律,采用加速度传感器和I-Scan系统分别测取产品的加速度响应和纸箱间的动压力响应。正弦扫频结果表明,预压力对堆码系统的共振频率、计算机共振加速度响应和纸箱动压比峰值均有明显影响。随机振动试验结果表明:上层计算机的加速度功率谱主要受一阶共振频率控制,下层计算机的加速度功率谱受一阶和二阶共振频率共同控制,上层计算机在一阶共振区域的加速度响应比下层计算机要大得多;堆码包装系统产品响应主要受制于系统共振区域的激励谱谱值,而非共振区域的激励能量对其影响很小;纸箱动压力功率谱主要受一阶共振频率控制,纸箱动压力的力水平穿越分布为Weibull分布;增大堆码预压力可有效抑制纸箱侧向运动,同时会使纸箱经历一个更大、更宽的力水平。

三层啤酒瓶周转箱运输包装单元的随机振动响应

以三层啤酒瓶周转箱运输包装单元为研究对象,通过随机振动试验分析其动态响应特性。试验结果表明:顶层啤酒瓶的振动主要受一阶共振频率控制,中间层啤酒瓶的振动主要受前几阶共振频率控制,底层啤酒瓶的振动主要受高阶共振频率控制;多层堆码运输包装单元中啤酒瓶和周转箱的加速度峰值(波峰)分布为Weibull分布;上层周转箱和靠近周转箱中央位置的啤酒瓶经历了更宽、更大的加速度响应水平。研究结果对啤酒瓶的存储、运输具有指导意义。

啤酒瓶周转箱随机振动响应的实验研究

实验研究不同加速度激励谱型、不同振动等级和不同约束方式下啤酒瓶周转箱的随机振动响应规律。实验结果表明:处于周转箱中央位置的啤酒瓶加速度响应较大,周转箱约束方式对啤酒瓶加速度响应影响并不明显;两层啤酒瓶周转箱运输单元中顶层啤酒瓶的低阶共振振动被激发出来,顶层啤酒瓶的振动主要由低阶共振控制,底层啤酒瓶的振动主要由高阶共振控制。堆码啤酒瓶周转箱运输单元的随机振动响应主要与系统共振频率处的激励能量有关;随机振动下啤酒瓶和周转箱的加速度峰值分布更趋近于Weibull分布。研究结果对啤酒瓶周转箱的运输包装设计有指导价值。

不同加速度谱型激励下非线性堆码包装系统的动力学响应

堆码包装系统通常是非线性系统,且在运输过程中存在包装件跳动现象,共振区域的激励对堆码包装系统的响应影响还需进一步探究。以两层堆码包装单元为研究对象,对无约束、弹性约束、固定约束这三种约束下的包装单元进行了扫频试验。根据扫频试验结果设置共振区域附近激励谱型相同、非共振区域激励谱型不同的两种加速度随机振动功率谱激励,探讨了在三种约束、三种振动等级下,非线性堆码包装系统在上述随机振动激励下的振动响应的差别。研究结果表明,两种谱型激励下的振动响应比较接近。共振区域的激励决定整个非线性系统的响应,产品包装防护设计应重点关注共振区域。

两层堆码包装单元的随机振动响应

试验研究了两层堆码包装单元在不同振动等级、不同约束方式下的随机振动响应,对固定约束方式下堆码包装单元的响应特性采用有限元法作了进一步分析。结果表明:两层堆码包装单元顶层产品的振动主要受第一共振频率控制,底层产品的振动受到第一和第二共振频率共同控制。产品加速度在共振频率附近的响应很大,在非共振频率范围的响应很小。产品加速度响应功率谱主要为产品的共振响应谱。有限元计算得到的共振频率和产品加速度PSD曲线趋势与试验结果较好吻合,表明有限元法是堆码包装单元随机振动响应分析的有效方法。

基于Grms-N的非高斯加速随机振动理论方法的有限元验证

为了研究真实运输环境下的产品加速随机振动问题,将已有文献提出的基于Grms-N(Grms为加速度均方根,N为循环次数)的产品加速随机振动试验理论进行了进一步的推导,通过引入非高斯修正因子法将该理论应用于非高斯激励下产品加速随机振动试验理论的研究。本文建立了单轴激励下产品的随机振动模型,通过有限元分析得到产品在指定峭度的非高斯激励下基础激励加速度均方根值和危险点响应等效应力均方根值之间的关系,分别从加速度和等效应力的角度计算了加速随机振动试验时间压缩比。结果表明,两种压缩比一致,得到了产品在非高斯激励下的振动特性,验证了本文提出的产品在非高斯激励下加速随机振动试验理论的正确性。