包裝力學(xué)與流變學(xué)基本概念

G因子的概念G因子的表達(dá)式：它表示加速度為重力加速度的倍數(shù)。也表示合外力F為重力W的倍數(shù)G因子的物理意義1、G不僅表示加速度a為重力加速度g的倍數(shù)，也表示合外力F為重力W的倍數(shù)。在包裝力學(xué)中，物體產(chǎn)生的最大加速度用Gm表示,物品所允許的最大加速度（保證在不破損的條件下）用Gc表示，且稱Gc為脆值或稱為該物品的易損度。為保證物品不發(fā)生破損，必須滿足如下條件：G因子的物理意義2、G因子的時(shí)間效應(yīng)加速度-時(shí)間曲線如圖所示：不同波形的△V的計(jì)算：①矩形波：②半正弦波：③三角形波：沖擊加速度：①矩形波：②半正弦波：③正矢波：④三角形波：2、G因子的時(shí)間效應(yīng)意義：產(chǎn)品受到?jīng)_擊，其沖擊加速度脈沖的時(shí)間可能短（如剛硬的材料作用于地面），也可能長(zhǎng)（如彈塑性的緩沖材料作用于地面）。作用時(shí)間短時(shí)，有時(shí)盡管力很大，往往只是在其表面打出一個(gè)痕跡，而產(chǎn)品內(nèi)部并未受到多大影響。作用時(shí)間長(zhǎng)，如一個(gè)長(zhǎng)期作用的力加在材料上，雖然離不大，作用點(diǎn)也沒(méi)有明顯的局部效應(yīng)，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致材料整體變形。包裝材料多為彈塑性材料，更應(yīng)重視作用力的時(shí)間效應(yīng)。G因子的物理意義3、包裝件跌落時(shí)產(chǎn)生的最大加速度Gm是跌落時(shí)彈性材料產(chǎn)生的最大變形與彈性材料緩慢釋放完全后的變形之比值。具體見(jiàn)黑板推導(dǎo)。G因子的物理意義4、動(dòng)應(yīng)力與靜應(yīng)力之比稱為動(dòng)載系數(shù)，而跌落時(shí)產(chǎn)生的最大加速度近似等于動(dòng)載系數(shù)。應(yīng)變能材料在壓力F作用下發(fā)生變形x，該變形x即力F的位移，所以測(cè)定施加力的過(guò)程的力—變形曲線，該曲線下的面積表征了壓力F所做的功W。當(dāng)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力—應(yīng)變曲線時(shí)，該曲線下的面積則表征了該材料的應(yīng)變能e，即單位體積材料在變形過(guò)程中所吸收的能量。它是材料的屬性。而力—變形曲線還與材料尺寸、形狀有關(guān)。緩沖材料是粘塑彈性物質(zhì)所謂粘塑彈性物質(zhì)是可以假定由彈性、粘性、塑性三要素所構(gòu)成的物質(zhì)。彈性理想的彈性模型是F=kxFxkx彈性極限彈性極限是去掉外力時(shí)材料能完全恢復(fù)其原有狀態(tài)的應(yīng)變極限。在彈性極限內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，且彈性能使其保持原有平衡位置。所以，對(duì)于受往復(fù)作用力的緩沖材料來(lái)說(shuō)，彈性是一個(gè)最重要的性質(zhì)緩沖材料按應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系分：線性彈性材料非線性彈性材料線性彈性材料在使用范圍內(nèi)遵守虎克定律，也就是在使用范圍內(nèi)未超出其彈性極限，或說(shuō)是彈性極限較寬的材料FxkOl(a)線性F=kx非線性彈性材料分段線性：一般由結(jié)構(gòu)和組合造成的。三次函數(shù)型：在小變形時(shí)十分接近線性，主要代表是懸掛包裝的組合彈簧。正切型：十分接近線性材料在趨于壓實(shí)狀態(tài)的情況。雙曲正切型：彈性極限較小的材料在較大范圍內(nèi)的典型表現(xiàn)。不規(guī)則形：如前段像雙曲正切型，而后段像正切型的組合形態(tài)。(b)分段線性FxOxsk1k2(c)三次函數(shù)型FxOk0r>0r<0(d)正切型Fxk0Ox具有正切函數(shù)型的緩沖材料很多：如泡沫橡膠、棉花、乳膠海綿、碎紙、涂膠纖維以及預(yù)壓后的聚苯乙烯泡沫塑料、高發(fā)泡聚乙烯塑料、緩沖包裝用氣墊等。(e)雙曲正切型Fxk0OF0實(shí)際上沒(méi)有什么材料精確地具有這種力學(xué)性質(zhì)但瓦楞紙板、蜂窩紙板、聚苯乙烯泡沫塑料EPS等塑性較大的材料在其受到外力作用的初期所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)屬于這種類型。(f)不規(guī)則形FxO表達(dá)彈性的物理量1、彈性模量E、彈性剛度k2、（研究小變形）初始彈性模量/剛度彈性變形率（或稱彈性率）對(duì)纖維材料（如紙）：設(shè)原長(zhǎng)l0的試料上施加荷重（通常以荷重F=0.6FB為標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)B為使其破斷的荷重），伸長(zhǎng)到l1，去掉荷重后長(zhǎng)度變?yōu)閘2，那么彈性變形率為：緩沖材料的彈性率L為破斷前的全長(zhǎng)，緩沖材料的彈性效率OABCDRHE可將一重錘由一定高度自由落下，落到所研究的緩沖材料上，根據(jù)其反跳起的高度來(lái)求彈性效率。組合材料的等效彈簧剛度和等效彈性模量二、塑性固體在其彈性極限內(nèi)對(duì)外力有彈性表現(xiàn)，但一超過(guò)該界限就會(huì)發(fā)生流動(dòng)，造成永久變形或破壞，稱這種性質(zhì)為塑性。塑性發(fā)生在彈性極限與強(qiáng)度極限之間的曲線段上，所以這個(gè)范圍的大小與永久變形的大小都是十分重要的。用于一般緩沖包裝的積層式瓦楞紙板、木絲、聚苯乙烯泡沫EPS等，都不同程度地利用材料的塑性來(lái)達(dá)到緩沖的目的，因而稱它們?yōu)閴簼⑿途彌_材料。三、粘性（阻尼）粘性指物體受力作用時(shí)，與其速度有關(guān)的阻力。線性阻尼表示阻力與運(yùn)動(dòng)的速度成正比。實(shí)際緩沖材料的粘性阻力，是材料本身阻礙變形的一種阻力，它由內(nèi)部摩擦和內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀所引起的。例如具有連續(xù)氣泡體重的空氣被擠出時(shí)，由于空氣的粘性，就產(chǎn)生了與空氣通過(guò)的速度大小成正比的阻力與速度有關(guān)的阻力，不一定與速度成比例，即不一定屬于粘性（或稱線性）阻尼；如有動(dòng)力學(xué)阻尼（其阻尼與速度平方成比例）、結(jié)構(gòu)阻尼以及固體摩擦阻尼。但工程上設(shè)法將它們等效為粘性阻尼，使理論和計(jì)算得到簡(jiǎn)化和統(tǒng)一。四、蠕變?nèi)渥兪潜３忠欢ǖ撵o壓狀態(tài)下，變形隨時(shí)間而進(jìn)行的現(xiàn)象。緩沖包裝物在保管期間，其變形在進(jìn)行著，因而蠕變前后即使由同一高度跌落，物品產(chǎn)生的加速度也是不同的。蠕變與載荷的大小直接相關(guān)。典型的蠕變過(guò)程分為三個(gè)階段。蠕變不僅與載荷、時(shí)間有關(guān)，而且與溫度有關(guān)。五、松弛現(xiàn)象緩沖材料的松弛現(xiàn)象普遍存在，塑料特別明顯。在靜態(tài)外力作用下，塑料的力學(xué)松弛變現(xiàn)為：或者是在不變的應(yīng)力作用下變形不斷增長(zhǎng)