Abaqus两种泡沫材料在计算机仿真中的应用比较

1.概述

   消费和商用级别的计算机的结构所承担的风险主要来自于计算机在生产完成到用户开机使用的中间过程中，也就是通常所说的运输、存储过程。在这个过程中，搬运人员的抛掷、摔放、人为失误造成的整机跌落、以及运输过程中的颠簸都是对计算机结构强度的考验。因此，泡沫缓冲材料对计算机的结构来说就显得十分重要。

   在计算机的研发过程中，包装的设计需要参考整机冲击和跌落的仿真结果来优化改进。因此，仿真的准确与否就直接决定了包装设计的可靠性。而仿真的准确性，在除去网格划分、边界条件施加等仿真工程师的主观因素之外，最终要的是取决于材料属性的准确性以及用何种方式添加材料属性。

2.发泡聚乙烯材料

   发泡聚乙烯材料，即EPE材料，也被称作珍珠棉，它由低密度聚乙烯脂经物理发泡产生无数的独立气泡构成。克服了普通发泡胶易碎、变形、恢复性差的缺点。具有隔水防潮、防震、隔音、保温、可塑性能佳、韧性强、循环再造、环保、抗撞力强等诸多优点。消费和商用级别的计算机通常使用这种材料作为主要的包装填充材料。

       2.1 发泡聚乙烯的材料特点

    EPE材料属性有别于常规的弹塑性材料，甚至有别于超弹性材料和同样是蜂窝结构的其他金属蜂窝材料。通常，EPE材料的压缩应力应变曲线如下图：

图1 EPE材料的常规压缩应力应变曲线

       压缩过程分为三个阶段：

       小变形阶段，材料内部气泡壁弯曲变形，此阶段的材料行为可以看成是线弹性的。

       稳定阶段，此阶段应力基本不变，变形上升，此阶段材料内部气泡壁发生屈曲。

       致密阶段，这时气泡壁被挤压在一起，应力直线上升，应变变化较小。

2.2 发泡聚乙烯材料实验

   常用的EPE材料按密度分为18kg/m3、20kg/m3、25kg/m3、28kg/m3等多种规格，不同密度再加上不同厚度，EPE材料会表现出非常多的属性特征。因为本文重点不在于研究EPE材料本身，因此只选取在计算机制造行业常用的一种EPE，即25kg/m3，厚度40mm材料作为比较对象。

    参照国家对此类材料的实验标准《GB/T 8168-2008 包装用缓冲材料静态压缩试验方法》，在万能试验机上对若干样品进行压缩，得到实验数据。

图2 EPE 材料压缩实验
（a）试验样本；（b）压缩实验；（c）试验前样本；（d）试验后样本变形

    从图2可以看出EPE材料也并非各向同性材料，它在沿着火合面和垂直火合面的方向上的材料属性并不一致，但是差距很小。为了简化起见，利用实验平均值将其视为各向同性。对试验数据平均后得到单轴压缩曲线如图3：

图3 EPE实测应力应变曲线：横坐标应变；纵坐标应力（MPa）

3.Abaqus中对EPE的模拟

    Abaqus对泡沫材料有三种典型材料赋予方式，分别是hyperfoam、low density foam以及crushable foam，其中前两种是弹性材料，第三种为塑性材料。又因为low density foam并不适用于EPE材料，所以本文只讨论hyperfoam和crushable foam。

    选取联想某型号计算机及其包装作为研究对象，真实模拟整机从1m高度跌落的缓冲过程。

图4 联想某机型和缓冲材料仿真模型

3.1 Hyperfoam

    Hyperfoam的定义路径为property-material-create-mechanical-elasticity-hyperfoam，根据hyperfoam的材料定义方式，选择直接使用实验数据。计算结果如下：

图5 机箱和缓冲材料变形云图：（a）材料受冲击压缩阶段；（b）反弹阶段

    在正面跌落后，底面的缓冲材料厚度方向压缩量达到38mm，压缩率95%，反弹后材料 完全恢复，根据节2.1的材料特性以及节2.2的实验可以知道，材料压缩到95%后，属于EPE材料的致密阶段，卸载后短时间内很难恢复原有形状。因此可见在模拟过程中，恢复阶段的模拟是失真的。

3.2 Crushable Foam

    Crushable Foam的定义路径为property-material-create-mechanical-plasticity-crushable foam，根据实验数据，换算对应塑性应力应变值，赋予材料属性。计算结果如下：

图6 机箱和缓冲材料变形云图：（a）材料受冲击压缩阶段；（b）反弹阶段

    在正面跌落后，底面的缓冲材料厚度方向压缩量为24.8mm，压缩率62%，反弹后材料仍有20mm的变形，根据节2.1的材料特性以及节2.2的实验可以知道，材料压缩到62%，属于EPE材料的稳定阶段，卸载后材料的塑性变形量非常小，不会出现计算中的20mm变形。并且根据实际跌落试验，缓冲材料的最大压缩率远大于60%，因此可见在模拟过程中，冲击阶段和恢复阶段的模拟都存在一定误差。

4.两种定义方式的比较

    对于EPE材料，目前没有完全准确的材料模型能够定义其动态力学特性，只能尽可能接近真实情况。对于两种定义方式，总结比较如下表：

表1 两种定义方式比较

       Hyperfoam的材料参数可以从实验中直接获得输入，相比较而言，Crushable Foam的材料参数就困难得多，从而导致在计算中对缓冲材料的计算不准确。但是Hyperfoam材料为完全弹性的，在计算过程中材料一直保持高弹性，导致系统的总能量在整机和缓冲材料之间来回交换，整机和缓冲材料的运动会越来越偏离真实情况。

5. 结论

   两种材料定义方式在计算机业内对整机的仿真过程中都有用到，也都被认可。但是由于其精确性存疑，因此对包装设计的指导意义一直停留在建议层面。本文根据国家标准测定了常用缓冲泡沫的材料属性，并利用该材料属性比较两种定义方式在Abaqus中的计算结果，证明两种方式都存在缺陷。

   但是在计算机设计中关注的主要是跌落过程的第一次冲击挤压，如果只关注这一点的话，两种方式相比较而言，Hyperfoam的材料参数更容易获得，会有更高精确度，在没有其他更好的方式之前，本文建议使用此种材料定义方式。

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