第十三课机械冲击.doc

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1、第十三课机械冲击引言在整个流通体系中，包装件会受到不同方式野蛮装卸。包装件可能会跌落、乱扔、踢打等粗暴地对待。包装件有可能从传送带或者叉车上掉下，碰到地面。包装同样会受到各种交通车辆带来的撞击，如卡车的启动、制动、通过坑穴和铁道接缝、火车车厢溜放移动、震动和其它更常见的剧烈行为。包装在每种情形中都会与另一物体（如地面、车厢底面、托盘、隔离壁或另一包装件）发生碰撞。这种碰撞会导致两个物体间的机械冲击。当物体的位置、速度或加速度发生突然变化时，就会产生机械冲击。这种冲击的特性是，加速度会在一个很短的时间内先是急

2、速增大随后是急速减小。大多数冲击的加速度与时间的关系图很复杂，如图13.1（a）所示。如果我们用如图13.1（b）所示的光滑近似曲线来替代图13.1（a）所示的复杂历程，冲击会变得更容易理解。通常，包装件受到的冲击持续时间为20毫秒（0.020秒），冲击幅值大小即“高度”有150个g。图13.1机械冲击的描述机械冲击可以被认作为成倍的重量突然得以作用，而且只持续一秒钟的几分之一。例如，如果作者本人经受了200g的冲击，他感到似乎瞬间重了45,000lb。由于人体对冲击的自然吸收及肌腱系统，这种感觉只不过是一

3、个轻微的震动（然而，如果这个冲击持续的时间较长，结果会相当严重）。因此，包装件受到的机械冲击，无论多短暂，都可能导致包装件破损。为了理解和评估一次冲击可能引起的潜在破损，我们必须知道加速度的大小和冲击的持续时间。包装件自由跌落我们已经学了关于一个自由落体的运动情况。下面的公式分别描述了一个包装件从某一高度h落下时所花的时间长短t，以及包装件向下远动直至撞击地面时的冲击速度：,这样的落下过程如图13.2所示。根据经验，我们知道一个类似于包装件的小物体碰撞地面这样的大物体时会回弹。回弹量的大小由下落物体的性质决

4、定。一个装着豆子的袋子掉落在水泥地面上就不会出现回弹，然而一个“超级弹跳球”却会回弹到与其落下高度几乎相同的位置。同样，一个包装件回弹多少由其本身的性质和所撞击的物体表面来决定。图13.2包装件的跌落过程回弹系数e描述了作为冲击速度函数的回弹速度（注：对于欠阻尼系统，，其中表示阻尼系数）：13.1速度总改变量=系数的取值在0到1之间，一般取值在0.3～0.5的范围内。需要注意的是，如果的值大于1，回弹速度会超过冲击速度，包装件回弹的高度会高于下落点。对于一次碰撞，速度的总改变量可定义为冲击速度与回弹速度绝对

5、值之和：13.2也就是，既然已知和,我们有：13.3由于01，所以13.4从公式（13.4）我们可以估算出一次碰撞引起的速度总改变量位于冲击速度的一倍与二倍之间。速度的总改变量在数值上也等于图13.3所示冲击脉冲曲线下方区域的面积。图13.3冲击参数间的关系13.4简单的产品-包装系统包装件破损与机械冲击的三个因素有关：·峰值加速度·冲击持续时间·速度改变量知道其中任意两个量，便可估算出第三个量。机械冲击理论第二次世界大战期间，明德林在研究雷达管在流通过程中的破损时，将产品-包装系统简化成最简单的形式。如图

6、13.4所示，该产品-包装系统由四个基本单元组成：外包装容器、衬垫、产品和关键部件。关键部件是指产品中最脆弱的易损零件（例如雷达管的灯丝）。受机械冲击时最易损坏的就是这部分。该模型可进一步简化成能用数学进行分析的形式，如图13.5所示。这个模型以及接下来的分析可帮助我们了解产品受到冲击而发生破损的可能性。对于此产品-包装模型：·M2代表产品的质量·M1代表关键部件的质量·M3代表外包装容器的质量·k1是代表关键部件的质量-弹性系统线弹性常数·k2指衬垫系统的线弹性常数（注：我们利用简单的线性弹性来代表衬垫是

7、为了简化分析。采用非线性模型也许更恰当，但需要复杂的数学运算。）图13.5图13.4所示产品-包装系统的质量-弹性模型为了简化问题，我们忽略外包装容器的质量，同时假定它没有弹性。我们同样假定衬垫没有质量或阻尼，一次冲击后不会产生永久性变形。我们也假定产品-包装件系统与一种完全刚性的地面碰撞。而且有这就是说，关键部件的质量与产品的质量相比可以忽略不计。在图13.6中，产品-包装件被提升到高度处，保持其姿态落下。当我们研究产品受到的冲击瞬间时，关键部件可以忽略不计。图13.6产品-包装系统的冲击过程在点,产品准

8、备下落。此时,产品所具有的势能是：13.5其中，产品的重量为.允许产品-包装系统下落。在点，外包装容器与冲击表面接触。在此位置，在产品开始压缩衬垫之前，我们建立一个基准线以度量产品在衬垫上向下压的位移。而且在点，整个系统的动能为13.6式中，冲击速度由前面的公式求得。将其代入13.7我们可以看出，此刻系统的动能等于初势能。从包装容器与撞击表面初始接触起，缓冲衬垫必然会吸收这部分动能。在这种情况下，线性衬垫吸收的能