仿生蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)有機(jī)硅膠緩沖墊緩沖性能

田野，羅榮超，廖昌宇，于佳鑫

仿生蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)有機(jī)硅膠緩沖墊緩沖性能

田野，羅榮超，廖昌宇，于佳鑫

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150028）

針對高精密軸承緩沖包裝墊的緩沖能力不足問題，提出一種新型仿生蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊。根據(jù)自然界中片狀蛛網(wǎng)的形態(tài)，確定蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊構(gòu)型，依據(jù)緩沖墊的結(jié)構(gòu)及其徑向絲、捕絲等參數(shù)之間的關(guān)系，建立力學(xué)模型和目標(biāo)優(yōu)化模型，分析在有限元仿真環(huán)境中3種跌落高度下軸承與蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊的應(yīng)力云圖。制作蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖模具并進(jìn)行澆鑄，完成軸承的跌落試驗(yàn)。對跌落試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以得到在381、610 mm跌落高度下，軸承所受最大應(yīng)力并未超出其材料的屈服強(qiáng)度。有蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊比沒有蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊時(shí)軸承所受的沖擊加速度分別下降了86%和78%。試驗(yàn)結(jié)果可與有限元仿真分析互相驗(yàn)證，為高精密軸承運(yùn)輸?shù)溥^程中的防護(hù)提供技術(shù)支撐。

結(jié)構(gòu)仿生；有限元仿真；有機(jī)硅膠；緩沖襯墊

精密軸承決定著高精尖設(shè)備性能的優(yōu)劣，人們往往重視其使用過程中的性能，而忽略了生產(chǎn)到使用環(huán)節(jié)對其性能的影響。目前對于精密軸承的包裝，一般采用“塑料袋-緩沖包裝-包裝紙盒”的包裝方法[1-3]，這種方法無法實(shí)現(xiàn)防塵、緩沖、防銹等防護(hù)功能。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）[4-6]作為新型的緩沖包裝材料，具有優(yōu)異的緩沖性能。張振宇等[7]提出利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的航空軸承緩沖包裝墊，以此來提高對軸承的保護(hù)。田亞男等[8]提出一種在對軸承包裝時(shí)，通過施加預(yù)緊力對軸承組合體進(jìn)行定位，從而起到對軸承的防護(hù)。Matthew Lamb等[9-11]通過對比松散填充淀粉珠與乙基纖維素泡沫220的性能，發(fā)現(xiàn)松散填充淀粉珠可以提供合理的整體緩沖性能，可作為替代工程緩沖材料的一種方法。于征磊等[12-15]通過借鑒蜂窩結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)建立了3種蜂窩結(jié)構(gòu)模型——仿直蜂窩、仿斜蜂窩、平板結(jié)構(gòu)，通過對比仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，仿斜蜂窩結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)傳導(dǎo)性能和更好的承載能力。陳曉薇等[16-17]根據(jù)仿生方竹結(jié)構(gòu)，對電池箱體中的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過分析發(fā)現(xiàn)仿生橫梁具有更好的耐撞性和穩(wěn)定性。Zhang等[18]建立了仿生竹梁的彎曲模型，采用了響應(yīng)面仿生竹輕量化設(shè)計(jì)方法。Huang等[19]采用的高微化纖維的緩沖材料在動態(tài)和靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)中具有較強(qiáng)的抗固化沖擊性能。

文中提出一種采用HL-1029材料的蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊的方法，通過建立蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型并優(yōu)化，設(shè)計(jì)緩沖墊的具體結(jié)構(gòu)，通過3D打印技術(shù)得到模具并澆鑄仿生緩沖墊。利用有限元軟件進(jìn)行仿真，最后在實(shí)驗(yàn)室中模擬包裝件在運(yùn)輸過程中的跌落過程，分析整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證仿真分析和蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊的緩沖性能。

1 蛛網(wǎng)構(gòu)型仿生研究

1.1 蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊力學(xué)模型

根據(jù)自然界中蜘蛛網(wǎng)的形狀，確定蛛網(wǎng)緩沖墊的具體形態(tài)為片狀正多邊形，現(xiàn)將其簡化為只含有捕絲、徑向絲和中心的幾何結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 蛛網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)

如圖2a所示，將圖1中的蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡圖立體化，賦予其一定的厚度，其中受力面為蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的上表面，設(shè)蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)總體受力為，其上表面面積為，從中取一單元體進(jìn)行分析，其中d、d、d為單元體各方向原長，變形后長度改變量為0、0、0，受力變形后的長度為d0、d0、d0，單元體受力為d，見圖2b。

由微元分析可知，當(dāng)微小面積無限縮小趨于0，則力的集度極限值為：

積分可得：

蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體的正應(yīng)力為：

1.2 蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊厚度計(jì)算

經(jīng)測量可知試驗(yàn)用高精密軸承的質(zhì)量為2.2 kg，脆值c通過查閱標(biāo)準(zhǔn)可知為120[20]。根據(jù)ASTM-D4169（美國材料試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）[21]中產(chǎn)品跌落測試高度標(biāo)準(zhǔn)，取試驗(yàn)跌落高度為381 mm。

圖2 蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)

HL-1029是一種低粘度、雙組分、高透明的有機(jī)硅灌封膠，可以室溫固化，具有很高的透明度，通常用于精密電子元件的灌封和密封，可以用來作為軸承緩沖墊的原材料。將高精密軸承放在HL-1029蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊上，軸承外圈與內(nèi)圈之間環(huán)狀部分與緩沖襯墊的接觸面積即為受到的緩沖面積，通過軟件計(jì)算可得為0.0034 m2，緩沖墊受到的最大應(yīng)力為：

式中：為軸承質(zhì)量。

由HL-1029的本構(gòu)關(guān)系可知，其應(yīng)力-緩沖系數(shù)曲線見圖3。

圖3 HL-1029硅膠材料的應(yīng)力-緩沖系數(shù)曲線

擬合圖3中的曲線可得，當(dāng)應(yīng)力為0.7765 MPa時(shí)，所對應(yīng)的緩沖系數(shù)為0.556，計(jì)算蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊的高度為：

因此，蛛網(wǎng)緩沖墊的最小厚度應(yīng)大于2 mm，考慮實(shí)際運(yùn)輸和搬運(yùn)條件的惡劣，安全系數(shù)為2～10，取安全系數(shù)為9，則蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊的厚度為18 mm。

2 仿真模擬

結(jié)合上述分析所得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在三維軟件中畫出蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊的三維模型，見圖4。

為了研究不同跌落高度對蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊緩沖性能的影響，查閱國際跌落標(biāo)準(zhǔn)后，將跌落高度分別設(shè)置為381、610、700 mm，根據(jù)自由落體公式（式（6））可以得到軸承下落至地面時(shí)的速度分別為2.732、3.460、3.706 m/s。仿真材料使用的軸承鋼密度為7800kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，緩沖材料為有機(jī)硅膠HL-1029，緩沖材料密度為970 kg/m3，仿真時(shí)長為0.05 s。

跌落試驗(yàn)是一瞬間完成的動作，可以用動力學(xué)模塊來求解。整個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀稍囼?yàn)軸承、蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊以及剛性地面等3部分組成，有限元軟件的環(huán)境下試驗(yàn)軸承和蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊的跌落狀態(tài)見圖5。

圖5 有限元軟件環(huán)境下軸承和蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊的跌落狀態(tài)

3種跌落高度下，軸承的等效應(yīng)力云圖見圖6。由圖6可以看出，最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在軸承的底部外圈，將最大應(yīng)力處放大可以看到，隨著軸承與地面距離的增加，軸承所受到的應(yīng)力漸漸變小，軸承也沒有塑性變形和損傷。

隨著跌落高度的增加，軸承所受到的最大應(yīng)力逐漸增大，由于實(shí)驗(yàn)用的高精密軸承屈服強(qiáng)度為353～382 MPa，圖中跌落高度為700 mm時(shí)，應(yīng)力最大為0.438 MPa，所以3種跌落高度下的最大應(yīng)力均沒有超出且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸承材料的屈服強(qiáng)度。

3種跌落高度下，蛛網(wǎng)緩沖墊的等效應(yīng)力云圖見圖7。由圖7可以看出，蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊有一定的損壞，最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在緩沖墊的底部。

蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊所受到的最大應(yīng)力隨著跌 落高度的增加而逐漸增大，3種跌落高度下蛛網(wǎng) 結(jié)構(gòu)緩沖墊的捕絲部分均有不同程度的彎曲或者損壞。

圖6 軸承跌落時(shí)等效應(yīng)力云圖

3 跌落試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法和所需設(shè)備

查閱跌落試驗(yàn)跌落高度的國際標(biāo)準(zhǔn)，按照ASTM D 4169《美國材料試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定得出跌落實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)高度。將軸承放于緩沖墊的上方并貼合，在試驗(yàn)件表面放上加速度傳感器，然后置于跌落試驗(yàn)機(jī)工作臺面上，用固定桿加以固定。將實(shí)驗(yàn)臺面提升至設(shè)定高度，使試驗(yàn)件自由落下，記錄軸承落地時(shí)的沖擊加速度，調(diào)節(jié)跌落高度，對比不同跌落高度下軸承的沖擊加速度的變化。

跌落試驗(yàn)所需的設(shè)備有數(shù)據(jù)采集器、加速度傳感器、DJ-100B單臂跌落機(jī)，見圖8。軸承和蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊見圖9。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

有蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊包裝的軸承跌落沖擊加速度數(shù)據(jù)見表2，軸承跌落沖擊加速度柱狀圖以及不同跌落高度平均沖擊加速度柱狀圖見圖10—11。可以看到相同跌落高度下，4組跌落試驗(yàn)所得到的沖擊加速度數(shù)值有較大差距，通過分析可知，軸承和蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊在下落過程中可能會有輕微偏斜，軸承和緩沖墊以較小的傾角與地面接觸，造成4組沖擊加速度數(shù)值之間差距較大。由表2中數(shù)據(jù)可知，有蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊包裝的軸承在381、610、700 mm 3種跌落高度上自由跌落后的沖擊加速度均小于軸承的脆值120。

圖7 蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊跌落時(shí)等效應(yīng)力云圖

圖8 跌落試驗(yàn)設(shè)備

圖9 試驗(yàn)樣件與傳感器

表2 HL-1029緩沖墊軸承包裝件跌落測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.2 Drop test data of HL-1029 cushion bearing package

圖10 有緩沖墊時(shí)包裝件在不同高度跌落的沖擊加速度

圖11 有緩沖墊時(shí)不同跌落高度下平均沖擊加速度

有無蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊在相同高度的平均沖擊加速度對比見圖12，可以看出蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊可以有效地減小軸承跌落時(shí)所受到的沖擊加速度。

圖12 在相同高度有無緩沖墊跌落的沖擊加速度對比

4 結(jié)語

對蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖襯墊的緩沖性能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。提出了一種采用有機(jī)硅膠材料作為航空精密軸承包裝緩沖墊的方法，并基于蛛網(wǎng)構(gòu)型對緩沖墊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。增大徑向絲的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為軸承受力載體，計(jì)算得到最小緩沖墊厚度，并對其厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用仿真分析驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。在有限元環(huán)境對不同跌落高度，含有仿生蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊情況下的高精密軸承進(jìn)行跌落模擬，分別得到高精密軸承和蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊的應(yīng)力云圖。通過跌落試驗(yàn)得到軸承落地時(shí)所受到的沖擊加速度，試驗(yàn)結(jié)果表明仿生蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)緩沖墊可以為高精密軸承提供有效保護(hù)。

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Cushioning Performance of Biomimetic Cobweb Silicone Cushion

TIAN Ye, LUO Rong-chao, LIAO Chang-yu, YU Jia-xin

(Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

The work aims to propose a new type of cushion with bionic cobweb structure to solve the insufficient cushioning capacity of high precision bearing package cushion. According to the morphology of the flake cobweb in nature, the configuration of the buffer cushion of the cobweb structure was determined. According to the relationship between the structure of the cushion and the parameters such as the radial thread and the spiral thread, the mechanical model and the objective optimization model were established. The stress nephogram of the bearing and cobweb cushion under three drop heights in the finite element simulation environment was analyzed. The cobweb cushion mould was made and cast and the drop test of the bearing was completed. By analyzing and processing the data of the drop test, it can be obtained that the maximum stress of the bearing did not exceed the yield strength of the material. The impact acceleration of the bearing with cobweb cushion decreased by 86% and 78% respectively compared with that without the cobweb cushion at the drop height of 381 mm and 610 mm. It can be verified with the finite element simulation analysis. The research can provide technical support for the protection of high precision bearing in transportation drop.

biomimetic structure; finite element simulation; organic silicone; cushion

TB482.2；TB485.1

A

1001-3563(2022)03-0155-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.019

2021-08-12

國家自然科學(xué)基金（41772387）；黑龍江省自然科學(xué)基金（LH2020E027）；哈爾濱商業(yè)大學(xué)青年創(chuàng)新人才支持項(xiàng)目（2019CX04）

田野（1981—），男，博士，哈爾濱商業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)楣I(yè)產(chǎn)品運(yùn)輸防護(hù)技術(shù)。