跌落损伤脆值及损伤边界_卢立新

1 损伤脆值与跌落损伤边界曲线的定义与表征
t
s = vdt
( 4)
0
为了便于 计算果品试样跌落后的损伤体积, 将试样 (如苹
果 )近视看成为球体。其跌落损伤结构见图 1。损伤体积为:
VB = VB1 + VB 2 = 24 [ 3w2 ( sb1 + sb2 ) + 4s3b1 + 4s3b2 ] ( 5) 式中, w 为果品损伤面 直径; sb1 为果 品损伤 变形量; sb2 跌 落引起的果品损 伤面内部损伤深度; R 为果品等效球半径。 果品损伤体 积与试样总体积之比即为果品损伤率。
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卢立新 跌落损伤脆 值及损伤边界
小到大的连续变化过 程。考虑到 果品的 损伤量 与其冲 击变形 量存在对应关系, 为此我们可通过多组果品跌落损伤的变形量 与冲击加速度、速度的对应关系构造出该种果品的损伤边界曲 线。
收稿日期: 2005 10 17 基金项目: 国家 十五 重 大科技专项项目 ( 2001BA804A 23) 作者简介: 卢立新 ( 1966- ), 男, 江苏宜兴人, 博 士研究生, 江南大 学副教 授, 主要从 事农产 品、食 品保鲜 包装与 贮运技 术、包
装工艺与设备等研究。
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包装工程 PACKAG ING ENG IN EER ING V o .l 26 N o. 6 2005 12
1968 年 N ew ton[ 1] 首次将损坏边界的概念引入包装系统设 计, 用产品所能经受的典型加速度脉冲冲击的幅值和速度变化 量来间接描述产品的 脆值, 作出破损边界曲线。这一理论奠定 了现代缓冲包装设计 的基础。此 后一些 学者围 绕产品 脆值以
及损坏边界的测 试系统、方法及应 用等开 展了研 究 [ 2 6] 。近年 来, W ang ZL[ 7] 、W ang ZW [ 8 9] 分别 提出 了位 移破 损边 界、跌落 破损边界的概念 , 并开展了非线性缓冲包装系统产品破损边界 理论的研究。
A b ( ub )
=
am ax ( ub ) g
( 1)
式中, ub 为产品的损伤率, am ax ( ub ) 对于损伤率 ub 时产品 允许的峰值加速度幅 值。
损伤 边界曲 线指 在冲击 激励 下, 以 产品跌 落损 伤率 为准
则, 在 am ax v 平面上, 划分物品包装的无损伤区或具有一定损 伤率的分界线。为此可采用 3个参量: 峰值加速 度 am ax、速度增 量 v以及损伤率 ub进行表征。损伤边界曲线可用下列方程进行 数学描述:
卢立新 跌落损伤脆 值及损伤边界
技术与装备
跌落损伤脆值及损伤边界
卢立新1, 2
( 1. 江南大学, 无锡 214122; 2. 国家轻工业包装制品质量监督检测中心, 无锡 214122)
摘要: 提出了跌落损伤脆值与跌落损伤边界的新概念, 并提出了测定获取跌落冲击损伤脆值与跌 落损伤边界曲线的技术过 程与方法。以嘎拉苹果为研究对象, 设计多组高度对 嘎拉苹果进 行自由跌 落刚性冲击试验。在测试获得冲击 力 时间数据的基础 上, 通 过理论分 析计算, 得到 加速度 时 间、变 形量 时间等动态关系曲线, 获得了嘎拉苹果 跌落损伤脆 值; 构造 了嘎拉苹 果跌落 损伤边 界曲线。结 果表明, 跌落损伤边界曲线与传统产品跌落破损边界曲线存在较大差异。对应果品类产品, 即使速度 很小, 只要产品瞬时加速度达到一定值, 也将 产生冲击损伤; 对应不同的损伤率, 可构造相应的多条损 伤边界曲线。提出的概念及研究结 果为控制果品类产品的 跌落损伤、合理地 进行缓冲 包装设 计提供 了新的理论基础。
关键词: 损伤脆值; 跌落损伤 边界; 果品; 跌落冲击; 缓冲包装; 损伤 中图分类号: TB487; S661 1 文献标识码: A 文章编号: 1001- 3563( 2005) 06- 0001- 04
D ropp ing bru ise fragility and bruise boundary
ub ( amax, v ) = Ab ( ub )
( 2)
1. 2 果品跌落冲击基本参数理论计算
为了测试计算果 品跌落损伤 脆值与 构造跌 落损伤 边界曲
线, 需要对果品跌落冲击基本参数进行理论分析计算。
针对果品的跌落 冲击过程特点, 分析中作如下假设:
1)果品所有的质量承受相同的冲击力;
2)忽略跌落冲击过程中果品内部的振动 [ 5]
为此作者充分考 虑果品等具 有粘弹 性材料 产品跌 落冲击 的损伤特征, 首次提出了损伤脆值与跌落损伤边界曲线的新概 念。针对现有跌落破损边界测 定方法存在的缺陷, 提出了测定 获取跌落损伤 脆值 与跌 落损 伤边 界曲 线的 技术 过程 与方 法。 以嘎拉苹果为研究对象, 通 过试验 测试与 理论分析 计算, 获得 了嘎拉苹果冲击损伤 脆值, 构造了嘎拉苹果跌落冲击的损伤边 界曲线, 并与传统产品破损边界曲线进行分析比较。
传统产品破损边 界理论、产品脆值的理论基础是以产品受 到冲击激励后, 不失去原有功能或不产生损坏为出发点。它们 对于传统的 脆性 类产品的描 述是适用 的。而对于果 品等具 有显著粘弹性材料的产 品, 通常其 作业、运输过 程中的 主要机 械破坏形式为产品的 局部损伤, 发生破裂的极端现象很少。实 际中即使该类产品出 现了一些 局部损 伤, 并未失 去原有功 能, 仍具有一定的使用价 值。同时 由于产品组织的特殊性, 传统的 产品脆值与破损边界 理论的描述与应用将受到限制。
1. 3 损伤脆值与跌落损伤边界曲线的表征与构造 目前产品脆 值、跌落破损边界曲线的测定已有相关的测试
标准与测试方法 。但对应 果品这类特殊产品, 由于是粘弹性材 料, 作者先前 直 接 采用 跌 落冲 击 试 验方 法 (美 国 A STM 标准 D3332 )进 行试验, 结果很 不理想。存在 的主要技术 问题与缺 陷为:
图 1 果品损伤体积计算 F ig 1 Calculation of bru ise vo lum e of fru its
1. 1 损伤脆值与跌落损伤边界曲线的定义
损伤脆值定义为 物品受到冲击激励后, 不发生损伤或发生
一定损伤率时所能承 受的最 大加速 度幅值。用 该加速 度幅值
与重力加速度的比值 来表示, 记为 A b 。即对应 损伤率, 损伤 脆值可表示为:
LU Li x in1, 2
( 1. Southern Y ang tze U n iversity, W ux i 214122, China; 2. China N a tiona l Control and T est Center for Packag ing Q ua lity, W ux i 214122, Ch ina) Abstrac t: Fo r the v' iscoelastic 'produc ts such as fruits, the ma jor mechan ica l dam ages usua lly a re not d irect sp lit but loca l bru ise caused by dropping impact during distribution, packag ing and transporta tion. It is w orthier to control the lo ca l b ruise vo lum e and bru ise ra tio of fru its in eng ineer ing. A s an ex tension of trad-i tiona l product frag ility and dam age bounda ry, the concept o f dropping bruise frag ility and bru ise boundary w as deve loped in th is paper. In v iew of the lim itations for traditiona l testing me thods, the m ethod and pro cedure fo r determ in ing dropp ing bruise frag ility and bru ise bounda ry w ere a lso established by adopting free fa ll dropp ing tests. T ak ing G' a la 'apples as study ob jects, the free- fa ll dropping im pact tests w ith d ifferent drop heigh ts a re m ade. T he dropping bru ise frag ilities and bru ise boundar ies of G' a la 'app les at d ifferent bru ise ra tios were dete rm ined by means of test resu lts and theoretical analysis. T he resu lts show ed tha t, there w ere obv ious differences betw een dropping bru ise boundary and trad itiona l damage boundary o f products. Even if the ve lo city w as low enough the fru its w ou ld be bru ised as long as acce le ration o f products exceeded a ce rtain va lue. M o reover, to diffe rent bruise ratios, a ser ies dropping bruise boundar ies can be established co rresponding ly. K ey word s: bru ise frag ility; dropp ing bruise boundary; fru its; dropping im pac t; cush ion ing packag ing; bru ising
源自文库
跌落冲击过 程中 果品 的冲击 力 F、加 速度 a、速 度 v 关系
为:
F
t
a = g - m ; v = v0 +
a dt ; v0 =
0
2gh
( 3)
式中: g为重力加速 度; m 为果品的质量; v0 为跌落果品与
冲击面刚接触时的瞬 间速度; h 为果品跌落高度。
冲击碰撞后某一 时刻的果品试样压缩变形量为:
1) 果品在试验台或测试托盘上的固定方式以及 固定紧度 对跌落损伤影响 很大。
2) 跌落中作用在果品上的冲击加速度脉冲的测 试与处理 较复杂与困难。
3) 设备无法设置控制果品的跌落损伤率。 为此寻求通 过自由跌落 试验进行。 自由跌 落试验中 果品 无需固定, 果品的动态参数 测试处 理较简 便, 但 试验中 需要控 制好果品的跌落 部位。自由跌 落试验存 在的主 要问题 是无法 在同一高度改变 冲击加速度。同时, 果品的跌落损伤率也无法 直接控制。为此采用试验 与理论计算相结合的方法进行。 1. 3. 1 损伤脆值 的获取 与传统脆值 的测试方法 相似, 损 伤脆值 是对 产品给 予逐 次增强的冲击激励, 即逐次增大自由跌落高 度, 测定 其动态响 应与损伤率, 以产品未发生损伤或发生一定损伤率时的最大加 速度响应幅值作 为其损伤脆值。 由于实际测 试时设备无法 控制损 伤率, 实际测 定时, 可设 计多组不同跌落 高度, 根据 跌落损 伤量及 对应的冲 击信号, 分 析拟合出损伤率 与峰值加速度的数学关系, 从而得出不同损伤 率下的损伤脆值 。 1. 3. 2 构造跌落 损伤边界曲线的技术方法与过程 其基本思想 是: 跌落冲击过程中果品的损伤是从小到大的 连续变化过程, 对应果品所 受的冲 击加速 度、速 度也是 同步从