運輸包裝隨機振動疲勞曲線及加速振動試驗技術(shù)

王志偉　劉博　王立軍

摘要： 推導(dǎo)了運輸包裝三軸隨機振動激勵下產(chǎn)品上關(guān)注點的von Mises等效應(yīng)力與激勵加速度均方根值的關(guān)系，證明了關(guān)注點處材料應(yīng)力疲勞曲線（曲線）和運輸包裝振動疲勞曲線（曲線）的等價性;針對兩類工程上常用的Basquin型（冪函數(shù)型）和指數(shù)函數(shù)型損傷和疲勞模型，給出了其曲線形式，得到了基于曲線的運輸包裝加速隨機振動時間壓縮比，并通過產(chǎn)品模型有限元算例驗證了其正確性。由于加速度易于分析和測量，因此基于曲線的運輸包裝加速隨機振動試驗技術(shù)具有潛在的應(yīng)用價值和進一步研究發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞： 隨機振動;?加速振動試驗;?運輸包裝;?振動疲勞曲線

中圖分類號： O324;?TH113.1 ???文獻標(biāo)志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0297-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.005

引??言

運輸包裝的隨機振動十分復(fù)雜，它與運輸環(huán)境、運輸工具及速度、產(chǎn)品和包裝以及裝載等情況有關(guān)。同時，由于產(chǎn)品及其組成部件和材料種類繁多，運輸包裝形式各異，振動損傷規(guī)律表現(xiàn)各不相同，導(dǎo)致運輸包裝在物流過程中呈現(xiàn)多種損傷和失效形式。為了評價產(chǎn)品運輸包裝在物流振動條件下的性能及其有效性與適度性，節(jié)省試驗時間，隨機振動試驗和加速振動試驗成為實踐中必不可少的重要手段。

在結(jié)構(gòu)（產(chǎn)品）加速振動試驗方法研究方面，Allegri等采用von Mises等效應(yīng)力，得到了等效應(yīng)力功率譜與應(yīng)力功率譜的關(guān)系，研究了穩(wěn)態(tài)高斯隨機加速振動試驗，給出了試驗時間壓縮的逆冪律模型，對指導(dǎo)加速振動試驗具有重要意義。程軍圣等、李奇志等對加速振動試驗和逆冪律模型進行了進一步的研究。Jiang等利用帶切口的懸臂鋁梁試件，試驗研究了不同參數(shù)高斯和非高斯隨機振動輸入對試件壽命的影響，提出了在非高斯激勵下振動疲勞的加速試驗數(shù)學(xué)模型。張方等基于結(jié)構(gòu)疲勞壽命頻域分析的Bendat法和Dirlik法，建立了激勵譜量級、響應(yīng)應(yīng)力水平和疲勞壽命之間的關(guān)系，提出了基于頻域法的隨機振動疲勞加速試驗設(shè)計。Quang等采用共振追蹤法研究了電路板的加速振動可靠性。需要指出的是：上述結(jié)構(gòu)（產(chǎn)品）的加速振動試驗研究工作均是在材料疲勞損傷符合Basquin冪函數(shù)模型的前提下進行的。當(dāng)材料疲勞損傷不符合Basquin冪函數(shù)模型而符合其他疲勞損傷模型（如指數(shù)函數(shù)模型）時，用Allegri方法推出的試驗時間壓縮表達式與von Mises等效應(yīng)力有關(guān)，難以指導(dǎo)加速振動試驗。

對于產(chǎn)品運輸包裝，由于產(chǎn)品組成部件和包裝容器的多樣性，各組成材料和部件的疲勞損傷準(zhǔn)則會有很大不同，一般不再符合Basquin冪函數(shù)模型，整體上表現(xiàn)出：不同產(chǎn)品運輸包裝具有不同的振動損傷失效形式，同一產(chǎn)品運輸包裝也呈現(xiàn)多種振動損傷失效。所以，產(chǎn)品運輸包裝的加速振動試驗研究顯得更為復(fù)雜，必須區(qū)分不同的振動損傷失效形式。這里需要說明：產(chǎn)品運輸包裝振動損傷失效是從產(chǎn)品的商品意義上講的，指產(chǎn)品達到一定程度的損傷累積或某一功能失效，與一般意義上的材料和結(jié)構(gòu)疲勞失效有所不同。

針對產(chǎn)品運輸包裝的特點，采用有限元和實驗方法，研究了各類運輸包裝的隨機振動動力行為，建立了運輸包裝的隨機振動分析模型，提出了基于產(chǎn)品部件加速度功率譜（而不是基于損傷關(guān)注點應(yīng)力場）的運輸包裝加速振動試驗方法，研究了瓦楞紙板、負(fù)載瓦楞紙箱和產(chǎn)品表面印刷磨損的振動失效模式和規(guī)律。本文是上述工作的研究延續(xù)，進一步研究運輸包裝三軸隨機振動激勵下產(chǎn)品上關(guān)注點的von Mises等效應(yīng)力與激勵加速度均方根值之間的關(guān)系，研究關(guān)注點處材料應(yīng)力疲勞曲線（曲線）與運輸包裝振動疲勞曲線（曲線）的等價性，針對工程上常用的損傷和疲勞模型，研究基于曲線的運輸包裝加速隨機振動試驗技術(shù)，并通過產(chǎn)品模型有限元算例進行數(shù)值驗證。