緩沖防護(hù)材料計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

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1、緩沖防護(hù)材料計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)№.4?6O?陜西科技大學(xué)JOURNALOFSHAANXIUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOIOGYAug.2006Vo1.24文章編號(hào):1000--5811{2006}04—0060—05緩沖防護(hù)材料計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)孫德強(qiáng)(西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710072)摘要:在航空,建筑,汽車,交通運(yùn)輸和包裝等領(lǐng)域的緩沖防護(hù)中進(jìn)行緩沖材料優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),采用產(chǎn)品緩沖包裝設(shè)計(jì)中通用的方法(國(guó)標(biāo)GB8166—87,緩沖系數(shù)C與最大應(yīng)力曲線法,最大加速

2、度G與靜應(yīng)力曲線法)存在很多明顯的缺陷.作者將國(guó)際上最新使用的基于能量吸收?qǐng)D法的緩沖防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于緩沖防護(hù)材料優(yōu)化設(shè)計(jì)中,并采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了輔助設(shè)計(jì).為此,首先分析了緩沖防護(hù)材料計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求,功能和模塊組成;而后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),重點(diǎn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了緩沖防護(hù)材料能量吸收?qǐng)D生成與優(yōu)化設(shè)計(jì)兩大功能模塊;最后利用所開發(fā)的系統(tǒng)對(duì)常見的緩中防護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)例求解,并將計(jì)算結(jié)果與國(guó)標(biāo)中的計(jì)算結(jié)果做了對(duì)比分析.對(duì)比分析和跌落實(shí)驗(yàn)證明能量吸收?qǐng)D法不僅克服了傳統(tǒng)方法的弊端,能夠滿足緩沖防護(hù)設(shè)計(jì)要求,而且該方法的設(shè)計(jì)結(jié)果更有效利用了緩沖

3、防護(hù)材料的緩沖性能.關(guān)鍵詞:緩沖防護(hù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);緩沖防護(hù)材料;優(yōu)化設(shè)計(jì);能量吸收?qǐng)D;算法;實(shí)現(xiàn)中圖分類號(hào):TP319:TB485.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言緩沖防護(hù)材料大都是多孔材料,因其質(zhì)輕并具有良好的吸能性,被廣泛應(yīng)用到航空,建筑,運(yùn)輸,汽車和包裝等領(lǐng)域的防護(hù)中.緩沖防護(hù)的目的是在一定的不致產(chǎn)品發(fā)生損壞的應(yīng)力水平下,充分吸收沖擊能量,保護(hù)被護(hù)對(duì)象.在有關(guān)產(chǎn)品包裝防護(hù)設(shè)計(jì)的國(guó)標(biāo)GB8166—87和相關(guān)書籍]中有傳統(tǒng)的緩沖包裝設(shè)計(jì)方法:緩沖系數(shù)C_最大應(yīng)力曲線和最大加速度G一靜應(yīng)力曲線法.前者是由動(dòng)態(tài)或靜態(tài)法測(cè)得的緩沖材料應(yīng)力應(yīng)變曲線生

4、成的,而后者是對(duì)同一緩沖材料進(jìn)行不同高度的沖擊實(shí)驗(yàn)后測(cè)得的.這兩類曲線分別記錄了某不同厚度的緩沖材料的緩沖系數(shù)與最大應(yīng)力的關(guān)系,以及最大加速度與靜應(yīng)力的關(guān)系.從理論上來(lái)說(shuō),這兩類設(shè)計(jì)理論是可行的,但它們還存在很多問(wèn)題:(1)同一種材料要進(jìn)行多次隨機(jī)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一定完全代表該緩沖材料性能;(2)有時(shí)還要對(duì)不同厚度的某一緩沖材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)的獲取和整理工作復(fù)雜;(3)緩沖材料大多是多孔材料,其緩沖性能最主要的影響因素是相對(duì)密度,在緩沖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重于緩沖材料相對(duì)密度的確立,而以上兩種方法并沒有考慮;(4)緩沖材料大都是粘滯性

5、材料,其應(yīng)力應(yīng)變曲線受應(yīng)變率(或溫度)的影響,所以在緩沖設(shè)計(jì)時(shí)要與動(dòng)態(tài)的實(shí)際情形相吻合,考慮應(yīng)變率(或溫度)的影響,以上兩種方法并沒有很好考慮;(5)緩沖防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該是建立在豐富材料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對(duì)材質(zhì),相對(duì)密度和厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),而上述兩種方法所建立的數(shù)據(jù)很有限,不可能完成這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì).收稿日期:2006—05—25作者簡(jiǎn)介t孫德強(qiáng)(1976一),男,山東省沂水縣人,講師,在讀博士生,研究方向:包裝計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)基金項(xiàng)目:西安市工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(GG200314)第4期孫德強(qiáng):緩沖防護(hù)材料計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)?61?Maiti

6、等于1984年[2最早提出了能量吸收?qǐng)D法,基于此方法Gibson等人于1997年在其書[3中詳細(xì)介紹了該方法在包裝等防護(hù)領(lǐng)域中的算法.國(guó)內(nèi)很多學(xué)者所設(shè)計(jì)的緩沖防護(hù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用的防護(hù)設(shè)計(jì)方法仍是GB8166—87中的方法n].緩沖防護(hù)設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于航空,建筑,運(yùn)輸,包裝和汽車等領(lǐng)域,這種設(shè)計(jì)所涉及的計(jì)算工作量和數(shù)據(jù)信息量十分龐大,必須采用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行.國(guó)外所開發(fā)的用于航空器著陸,汽車賽車等領(lǐng)域的防護(hù)設(shè)計(jì)軟件是高度機(jī)密的,國(guó)內(nèi)又沒有基于該能量圖法的相關(guān)軟件.基于此,本文研究并設(shè)計(jì)了基于能量吸收?qǐng)D的緩沖防護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng),首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行

7、了需求分析,然后設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng),最后進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算.2系統(tǒng)的需求分析2.1系統(tǒng)的功能緩沖防護(hù)是在已知被護(hù)對(duì)象所能承受的最大加速度條件下,計(jì)算優(yōu)化緩沖防護(hù)材料的材質(zhì),相對(duì)密度,襯墊面積和厚度.本系統(tǒng)所基于的設(shè)計(jì)方法是能量吸收?qǐng)D法,所以本系統(tǒng)應(yīng)具有下功能:(1)可以實(shí)現(xiàn)緩沖防護(hù)材料優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本功能:根據(jù)各緩沖防護(hù)材料的能量圖信息進(jìn)行優(yōu)化防護(hù)設(shè)計(jì),得到優(yōu)化的泡沫材質(zhì),相對(duì)密度,襯墊面積和厚度.(2)本系統(tǒng)所基于的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是緩沖防護(hù)材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線,單位體積標(biāo)準(zhǔn)化能量一標(biāo)準(zhǔn)化蜂應(yīng)力曲線,所以本系統(tǒng)應(yīng)能管理,維護(hù)和生成緩沖防護(hù)材料的各類能

8、量曲線.(3)能夠?qū)δ骋槐蛔o(hù)對(duì)象,在不同情形(防護(hù)材料材質(zhì)已知或未知)下利用相應(yīng)的優(yōu)化算法對(duì)被護(hù)對(duì)象進(jìn)行防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì).(4)能夠完成襯墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后襯墊的面積和厚度,襯墊結(jié)構(gòu)要求及被護(hù)對(duì)象的外形