[摘要] 　研究纸浆模塑材料的力学性能,包括纸浆模塑材料拉伸时弹性模量、泊松比等参数的检测,从而为纸浆模塑缓冲包装结构的有限元分析和设计打下基础。由于纸浆模塑材料单向拉伸时横向变形非常小且不宜采用接触式应变测量方法,变形测量比较困难,所以文中将数字相测量技术应用于横向变形的测量,较好地解决了纸浆模塑材料的横向变形系数测量问题。

     关键词: 纸浆模塑; 力学性能; 数字相关测量

　　近年来,国际公约和许多国家的新法令、新规定禁用或限制使用如聚苯乙烯发泡塑料( EPS) 等一批对环境有严重污染的产品,越来越多的电子信息工业厂商已用纸浆模塑等纸基缓冲材料取代EPS 作为产品包装,以减少包装废弃物对环境的污染,纸浆模塑制品发展迅速。由于纸浆模塑材料过于致密,该包装制品主要是通过制品的力学结构来增大缓冲性能,所以纸浆模塑缓冲包装制品的结构设计非常重要。目前纸浆模塑缓冲包装的设计方法仍然是经验性的设计方法,其设计周期长、成本高。然而要想设计出缓冲性能优良的纸浆模塑缓冲包装结构,比较好的方法是采用CAD/ CAE等现代设计方法,而这种设计方法的基础就是要研究材料的力学性能并建立起材料的本构模型。

     目前对纸浆模塑的研究主要集中在如下几方面:Danny G.Eagleton 等研究了纸浆模塑材料在低应力和一次冲击的情况下的缓冲性能[1 ] 。Jorge Marcondes 等指出了纸浆模塑结构制品的缓冲能力[2 ] 。J . Hoffmann 确定了纸浆模塑包装的结构形状与静强度和动强度的关系[3 ] 。王高升等根据纸浆模塑缓冲结构单元的静态压缩曲线研究了纸浆模塑缓冲包装结构设计的原理[4 ] ,但这种设计方法无法适用更多的结构形式及尺寸变化。康勇刚等对纸浆模塑制品结构参数与缓冲作用进行了研究[5 ] 。

     以上这些工作并没有研究材料本身的力学性能。据纸浆模塑材料的成型原理,对于一般的工程应用问题,可视其为各向同性材料。本文实验研究纸浆模塑材料的力学性能,包括纸浆模塑材料拉伸时弹性模量、泊松比等参数的检测,以及全场变形分析,从而为纸浆模塑缓冲包装结构的有限元分析和设计打下基础。由于纸浆模塑材料单向拉伸时横向变形非常小,对温度、湿度等环境因素影响敏感,变形测量比较困难,不宜采用接触式变形测量方法,所以本文将数字相关测量技术应用于横向变形的测量,较好地解决了纸浆模塑材料的横向变形系数测量和全场变形测量问题。

1 　变形测量原理

    数字相关测量方法(DICM) 首先由Peters 和Sutton 等提出,是根据物体表面随机分布的粒子的反射光强分布在变形前后的概率统计相关性来确定物体表面位移和应变 。

    用相关迭代测量方法处理数字散斑图时,首先要在变形前的散斑图中选取一个子区,作为测量的参考图像,图像灰度分布为f ( x , y) 。然后,在变形后的散斑图中去寻找目标图像, 图像灰度分布为g ( x3, y3) 。实际上, x3, y32 个量是含有待求位移及其一阶和二阶导数的未知量,这两个值的确定成为了关键性问题。另外, x3, y3的值一般不是整数, 所以g ( x3, y3)的灰度值是通过整数象素的灰度值内插求得的。

    子区中任一点在变形后的坐标( x3, y3) 可用该点在变形前的坐标( x , y) 表示

根据统计学原理计算参考图像与目标图像之间的相关性,它是反映两个图像相似程度的一个数学指标。由统计学可知,定义S 为相关因子:

    实际上相关因子S 是待求量位移及其导数的函数,当给出试凑位移及其一阶和二阶导数代入(2) 式时,使相关因子S 达到最小值的试凑值,就是真实的样本图像的位移及其导数。换句话说,求解位移及其导数的问题,转化为求相关因子的最小值问题。则:

　　从(3) 式中求解ui ( i = 1 ,2 …12) , 实际上就是寻找偏微分方程(3) 的根。求解这个偏微分方程可应用Newton2Raphson迭代方法

     图1 是数字相关测量方法的测量系统示意图。主要由光学成像系统,CCD 摄像机,数字图象处理系统组成。反映物体不同状态的散斑场由CCD 摄像机摄入,经数字化成为数字图像后输入计算机中存贮并进行相关分析。

图1 　数字相关测量方法的测量系统

(待续)