多孔緩沖材料有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法

孫德強(qiáng)，陜西科技大學(xué)，副教授，先后主講過《仿真設(shè)計(jì)》、《面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)C 》、《電子商務(wù)》、《包裝管理學(xué)》、《包裝CAD》等課程；在化學(xué)工業(yè)出版社等出版教材2部，在《Composite Structures》、《Journal of Engineering Mechanics-ASCE》、《International Journal of Materials Research》、《Advance Materials Research》、《Applied Mechanics and Materials》、《包裝工程》等國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文40余篇，其中SCI/EI收錄5篇，EI收錄20余篇，CPCI-S收錄10余篇；負(fù)責(zé)省級(jí)科研項(xiàng)目1項(xiàng)，教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目1項(xiàng)，西安市工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)，校級(jí)科研項(xiàng)目多項(xiàng)，橫向項(xiàng)目2項(xiàng)，參與各級(jí)項(xiàng)目多項(xiàng)。獲得發(fā)明專利1項(xiàng)，在申發(fā)明專利2項(xiàng)，在申實(shí)用新型專利3項(xiàng)，取得軟件著作版權(quán)6項(xiàng)。

第1章多孔緩沖材料概述

1.1概念

1.2制備方法

1.2.1蜂窩材料

1.2.2泡沫材料

1.3性能與應(yīng)用

1.3.1阻隔材料

1.3.2緩沖減振

1.3.3結(jié)構(gòu)材料

1.3.4漂浮材料

1.3.5其他用途

1.4孔穴

1.4.1結(jié)構(gòu)

1.4.2形狀

1.5相對(duì)密度

復(fù)習(xí)題

第2章ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)

2.1工程分析

2.1.1概念

2.1.2計(jì)算機(jī)輔助工程分析

2.1.3實(shí)例

2.2有限元結(jié)構(gòu)分析

2.2.1有限元法

2.2.2ANSYS快速瀏覽

2.2.3有限元分析實(shí)例

復(fù)習(xí)題

第3章蜂窩材料力學(xué)

3.1六邊形蜂窩

3.1.1共面力學(xué)

3.1.2異面力學(xué)

3.2彈性模量的有限元計(jì)算

3.2.1基于特征單元的方法

3.2.2基于單元陣列的方法

3.3動(dòng)態(tài)壓縮的有限元模擬

3.3.1方法

3.3.2實(shí)例

3.4各種蜂窩材料的力學(xué)性能

3.4.1三角形蜂窩

3.4.2四邊形蜂窩

3.4.3圓形蜂窩

3.4.4多層U形A瓦楞

復(fù)習(xí)題

第4章泡沫材料力學(xué)

4.1變形機(jī)制

4.2壓縮

4.2.1線彈性變形

4.2.2非線彈性變形

4.2.3塑性坍塌

4.2.4脆性壓潰

4.3拉伸

4.3.1線彈性變形

4.3.2非線彈性變形

4.3.3塑性坍塌

4.3.4脆性斷裂

復(fù)習(xí)題

第5章其他多孔緩沖材料力學(xué)

5.1木材

5.1.1結(jié)構(gòu)

5.1.2力學(xué)性能

5.1.3模型

5.2軟木

5.2.1結(jié)構(gòu)

5.2.2力學(xué)性能

5.3網(wǎng)狀骨質(zhì)

5.3.1結(jié)構(gòu)

5.3.2力學(xué)性能

5.3.3模型

復(fù)習(xí)題

第6章緩沖設(shè)計(jì)方法

6.1國標(biāo)中的緩沖包裝設(shè)計(jì)方法

6.1.1相關(guān)術(shù)語

6.1.2設(shè)計(jì)要求

6.1.3流程簡述

6.1.4具體方法

6.1.5應(yīng)用技術(shù)

6.1.6相關(guān)試驗(yàn)

6.2“緩沖系數(shù)最大應(yīng)力曲線”法

6.2.1設(shè)計(jì)示例

6.2.2包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法

6.2.3緩沖系數(shù)的計(jì)算

6.3“最大加速度靜應(yīng)力曲線”法

6.3.1設(shè)計(jì)示例

6.3.2包裝用緩沖材料動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)方法

6.4減振防護(hù)設(shè)計(jì)示例

6.4.1示例1

6.4.2示例2

6.5“能量吸收?qǐng)D”法

6.5.1能量吸收?qǐng)D的生成原理

6.5.2材質(zhì)已知時(shí)厚度和密度優(yōu)化算法

6.5.3材質(zhì)未知時(shí)基材材質(zhì)優(yōu)化算法

6.6二維多孔材料共面動(dòng)態(tài)緩沖性能的測定方法

6.6.1技術(shù)背景

6.6.2方法細(xì)節(jié)

6.6.3方法的可行性

6.6.4測定案例

復(fù)習(xí)題

《多孔緩沖材料有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法》共分為6章，分別是：多孔緩沖材料概述，ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)，蜂窩材料力學(xué)，泡沫材料力學(xué)，其他多孔緩沖材料力學(xué)以及緩沖設(shè)計(jì)方法。具體內(nèi)容包括多孔緩沖材料的概念、制備、性能、應(yīng)用等基礎(chǔ)知識(shí)，工程分析、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、結(jié)構(gòu)分析相關(guān)概念、有限元法的原理、ANSYS軟件，各類多孔緩沖材料力學(xué)和相關(guān)有限元分析，以及緩沖性能評(píng)價(jià)和緩沖設(shè)計(jì)方法。

《多孔緩沖材料有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法》不僅把多孔緩沖材料力學(xué)和ANSYS有限元軟件兩者融合，還推出了各類多孔緩沖材料力學(xué)性能仿真、緩沖性能評(píng)價(jià)、緩沖設(shè)計(jì)方法的大量原創(chuàng)性內(nèi)容。既注重理論性，又注重實(shí)踐性。內(nèi)容安排由淺入深，循序漸進(jìn)。適合包裝工程專業(yè)本科、研究生和包裝工程技術(shù)人員閱讀。

燒結(jié)多孔材料雖然力學(xué)性能和耐腐蝕性能等因存在孔隙而不如致密金屬，但有些性能如熱交換能力、電化學(xué)活性、催化作用等卻因比表面增大而比致密金屬好得多。多孔材料還具有一系列致密金屬所沒有的功能，如孔隙能透過氣、液介質(zhì)，能吸收能量，或起緩沖作用。燒結(jié)多孔材料因用途不同而各具特殊性能，如對(duì)過濾材料要求過濾精度、透過性和再生性；對(duì)某些多孔材料要求熱交換效率、電化學(xué)活性、聲阻性、電子發(fā)射能力等。

表征多孔結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)是：孔隙度、平均孔徑、最大孔徑、孔徑分布、孔形和比表面。除材質(zhì)外，材料的多孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料的力學(xué)性能和各種使用性能有決定性的影響。由于孔隙是由粉末顆粒堆積、壓緊、燒結(jié)形成的；因此,原料粉末的物理和化學(xué)性能,尤其是粉末顆粒的大小、分布和形狀，是決定多孔結(jié)構(gòu)乃至最終使用性能的主要因素。多孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和某些使用性能（如透過性等）都有多種測定原理和方法?？讖匠Ｓ脷馀莘?、氣體透過法、吸附法和汞壓法等來測定，比表面常用低溫氮吸附法和流體透過法來測定。選擇測定方法時(shí)應(yīng)盡量選用與使用條件相近的方法。流體透過多孔體的運(yùn)動(dòng)在層流條件下服從達(dá)西公式，即流速與壓力梯度成正比，與流體粘度成反比，其比例常數(shù)即透過系數(shù)為反映材料透過能力的特征參數(shù)。當(dāng)貫通孔隙度、孔徑增大時(shí)，或多孔體厚度、流體粘度減小時(shí)，燒結(jié)多孔材料的透過能力隨之增大。燒結(jié)多孔材料的力學(xué)性能不僅隨孔隙度、孔徑的增大而下降，還對(duì)孔形非常敏感，即與“缺口”效應(yīng)有關(guān)。孔隙度不變時(shí)，孔徑小的材料透過性小，但因顆粒間接觸點(diǎn)多，故強(qiáng)度大。過濾精度即阻截能力是指透過多孔體的流體中的最大粒子尺寸，一般與最大孔徑值有關(guān)?？讖椒植际嵌嗫捉Y(jié)構(gòu)均勻性的判據(jù)。對(duì)于過濾材料要求在有足夠強(qiáng)度的前提下，盡可能增大透過性與過濾精度的比值。根據(jù)這些原理，發(fā)展出用分級(jí)的球形粉末為原料，制成均勻的多孔結(jié)構(gòu)，用粉末軋制法制造多孔的薄帶和焊接薄壁管，發(fā)展出粗孔層與細(xì)孔層復(fù)合的雙層多孔材料。

多孔材料可由多種金屬和合金以及難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物和

硅化物等制成，但常用的是青銅、不銹鋼、鎳及鈦等。多孔材料的孔隙度一般在15%以上，最高可達(dá)90%以上，孔徑從幾百埃到毫米級(jí)。多孔材料的孔隙度一般粗分為低孔隙度(<30%)、中孔隙度(30～60%)、高孔隙度(>60%)三類，孔徑分為粗孔(>50nm)、中等孔（2～50nm）和微孔(<2nm)三種。低孔隙度的多孔材料主要是含油軸承，高孔隙度的還包括金屬纖維多孔材料和泡沫金屬，主要用于電池極板、絕熱、消音、防震等。大量使用的過濾材料和發(fā)汗冷卻材料（見金屬發(fā)汗材料）多為中等孔隙度。過濾用的多孔材料可按過濾精度和流量分成等級(jí)系列。

多孔模具鋼的金相組織(ESEM)內(nèi)部隨機(jī)分布著大量三維空間互通的孔洞。由于該模具鋼的透氣性好，所以，鑄出的鑄件表面輪廓清晰；其二，充型阻力減小，于是充型動(dòng)力也可以減??；其三，模具的合模力可以減小；其四，模具的重量可以減輕，僅為原來模具的三分之二，節(jié)約了金屬材料；其五，上述優(yōu)點(diǎn)的綜合，可以簡化模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和對(duì)注塑機(jī)、壓鑄機(jī)型號(hào)的選擇。從多孔鋼在模具上的應(yīng)用實(shí)例可以看出，多孔金屬材料的研制利應(yīng)用具有省能源，省資源，有利于材料的循環(huán)利用 l地球環(huán)境的保護(hù)，所以具有廣闊的應(yīng)用前景利深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

隧道緩沖結(jié)構(gòu)，鐵路行業(yè)用語，指隧道兩端洞口為緩解空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)而設(shè)置的結(jié)構(gòu)。

鐵路行業(yè)用語，指隧道兩端洞口為緩解空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)而設(shè)置的結(jié)構(gòu)。