概述

消費(fèi)和商用級(jí)別的計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)主要來自于計(jì)算機(jī)在生產(chǎn)完成到用戶開機(jī)使用的中間過程中，也就是通常所說的運(yùn)輸、存儲(chǔ)過程。在這個(gè)過程中，搬運(yùn)人員的拋擲、摔放、人為失誤造成的整機(jī)跌落、以及運(yùn)輸過程中的顛簸都是對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的考驗(yàn)。因此，泡沫緩沖材料對(duì)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)來說就顯得十分重要。

 

在計(jì)算機(jī)的研發(fā)過程中，包裝的設(shè)計(jì)需要參考整機(jī)沖擊和跌落的仿真結(jié)果來優(yōu)化改進(jìn)。因此，仿真的準(zhǔn)確與否就直接決定了包裝設(shè)計(jì)的可靠性。而仿真的準(zhǔn)確性，在除去網(wǎng)格劃分、邊界條件施加等仿真工程師的主觀因素之外，最終要的是取決于材料屬性的準(zhǔn)確性以及用何種方式添加材料屬性。

 

發(fā)泡聚乙烯材料

發(fā)泡聚乙烯材料，即EPE材料，也被稱作珍珠棉，它由低密度聚乙烯脂經(jīng)物理發(fā)泡產(chǎn)生無數(shù)的獨(dú)立氣泡構(gòu)成?？朔似胀òl(fā)泡膠易碎、變形、恢復(fù)性差的缺點(diǎn)。具有隔水防潮、防震、隔音、保溫、可塑性能佳、韌性強(qiáng)、循環(huán)再造、環(huán)保、抗撞力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。消費(fèi)和商用級(jí)別的計(jì)算機(jī)通常使用這種材料作為主要的包裝填充材料。

 

發(fā)泡聚乙烯的材料特點(diǎn)

EPE材料屬性有別于常規(guī)的彈塑性材料，甚至有別于超彈性材料和同樣是蜂窩結(jié)構(gòu)的

其他金屬蜂窩材料。通常，EPE材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如下圖：

 

 

圖 1 EPE 材料的常規(guī)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

 

壓縮過程分為三個(gè)階段：

l 小變形階段，材料內(nèi)部氣泡壁彎曲變形，此階段的材料行為可以看成是線彈性的。

l 穩(wěn)定階段，此階段應(yīng)力基本不變，變形上升，此階段材料內(nèi)部氣泡壁發(fā)生屈曲。

l 致密階段，這時(shí)氣泡壁被擠壓在一起，應(yīng)力直線上升，應(yīng)變變化較小。

 

發(fā)泡聚乙烯材料實(shí)驗(yàn)

常用的EPE材料按密度分為18kg/m3、20kg/m3、25kg/m3、28kg/m3等多種規(guī)格，不同密度再加上不同厚度，EPE材料會(huì)表現(xiàn)出非常多的屬性特征。因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)不在于研究EPE材料本身，因此只選取在計(jì)算機(jī)制造行業(yè)常用的一種EPE，即25kg/m3，厚度40mm材料作為比較對(duì)象。

 

參照國(guó)家對(duì)此類材料的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 8168-2008 包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法》，在萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)若干樣品進(jìn)行壓縮，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

 

 

圖 2 EPE 材料壓縮實(shí)驗(yàn)（a）試驗(yàn)樣本；（b）壓縮實(shí)驗(yàn)；（c）試驗(yàn)前樣本；（d）試驗(yàn)后

樣本變形

 

從圖2可以看出EPE材料也并非各向同性材料，它在沿著火合面和垂直火合面的方向上的材料屬性并不一致，但是差距很小。為了簡(jiǎn)化起見，利用實(shí)驗(yàn)平均值將其視為各向同性。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均后得到單軸壓縮曲線如圖3：

 

 

圖 3 EPE 實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線：橫坐標(biāo)應(yīng)變；縱坐標(biāo)應(yīng)力（MPa）

 

Abaqus 中對(duì) EPE 的模擬

Abaqus對(duì)泡沫材料有三種典型材料賦予方式，分別是hyperfoam、low density foam以及crushable foam，其中前兩種是彈性材料，第三種為塑性材料。又因?yàn)閘ow density foam并不適用于EPE材料，所以本文只討論hyperfoam和crushable foam。

 

選取聯(lián)想某型號(hào)臺(tái)式計(jì)算機(jī)及其包裝作為研究對(duì)象，真實(shí)模擬整機(jī)從1m高度跌落的緩沖過程。

 

 

圖 4 聯(lián)想某機(jī)型和緩沖材料仿真模型

 

Hyperfoam

Hyperfoam的定義路徑為property-material-create-mechanical-elasticity-hyperfoam，根據(jù)hyperfoam的材料定義方式，選擇直接使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果如下：

 

 

圖 5 機(jī)箱和緩沖材料變形云圖：（a）材料受沖擊壓縮階段；（b）反彈階段

 

在正面跌落后，底面的緩沖材料厚度方向壓縮量達(dá)到38mm，壓縮率95%，反彈后材料完全恢復(fù)，根據(jù)節(jié)2.1的材料特性以及節(jié)2.2的實(shí)驗(yàn)可以知道，材料壓縮到95%后，屬于EPE材料的致密階段，卸載后短時(shí)間內(nèi)很難恢復(fù)原有形狀。因此可見在模擬過程中，恢復(fù)階段的模擬是失真的。

 

Crushable Foam

Crushable Foam的定義路徑為property-material-create-mechanical-plasticity-crushable foam，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，換算對(duì)應(yīng)塑性應(yīng)力應(yīng)變值，賦予材料屬性。計(jì)算結(jié)果如下：

 

 

圖 6 機(jī)箱和緩沖材料變形云圖：（a）材料受沖擊壓縮階段；（b）反彈階段

 

在正面跌落后，底面的緩沖材料厚度方向壓縮量為24.8mm，壓縮率62%，反彈后材料仍有20mm的變形，根據(jù)節(jié)2.1的材料特性以及節(jié)2.2的實(shí)驗(yàn)可以知道，材料壓縮到62%，屬于EPE材料的穩(wěn)定階段，卸載后材料的塑性變形量非常小，不會(huì)出現(xiàn)計(jì)算中的20mm變形。

 

并且根據(jù)實(shí)際跌落試驗(yàn)，緩沖材料的最大壓縮率遠(yuǎn)大于60%，因此可見在模擬過程中，沖擊階段和恢復(fù)階段的模擬都存在一定誤差。

 

兩種定義方式的比較

對(duì)于EPE材料，目前沒有完全準(zhǔn)確的材料模型能夠定義其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，只能盡可能接近真實(shí)情況。對(duì)于兩種定義方式，總結(jié)比較如下表：

 

表 1 兩種定義方式比較

 

 

Hyperfoam的材料參數(shù)可以從實(shí)驗(yàn)中直接獲得輸入，相比較而言，Crushable Foam的材料參數(shù)就困難得多，從而導(dǎo)致在計(jì)算中對(duì)緩沖材料的計(jì)算不準(zhǔn)確。但是Hyperfoam材料為完全彈性的，在計(jì)算過程中材料一直保持高彈性，導(dǎo)致系統(tǒng)的總能量在整機(jī)和緩沖材料之間來回交換，整機(jī)和緩沖材料的運(yùn)動(dòng)會(huì)越來越偏離真實(shí)情況。

 

結(jié)論

兩種材料定義方式在計(jì)算機(jī)業(yè)內(nèi)對(duì)整機(jī)的仿真過程中都有用到，也都被認(rèn)可。但是由于其精確性存疑，因此對(duì)包裝設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義一直停留在建議層面。本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定了常用緩沖泡沫的材料屬性，并利用該材料屬性比較兩種定義方式在Abaqus中的計(jì)算結(jié)果，證明兩種方式都存在缺陷。

 

但是在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中關(guān)注的主要是跌落過程的第一次沖擊擠壓，如果只關(guān)注這一點(diǎn)的話，兩種方式相比較而言，Hyperfoam的材料參數(shù)更容易獲得，會(huì)有更高精確度，在沒有其他更好的方式之前，本文建議使用此種材料定義方式。

 

資料來源：達(dá)索官方