LS-DYNA深度解析：缓冲材料冲击响应过程模拟

1、项目背景

产品在运输和使用过程中，难免发生跌落或磕碰，碰撞产生的冲击载荷常常对产品造成严重的致损破坏。借助缓冲材料保护产品是包装运输的有效措施。缓冲材料发挥着保护产品的作用，将冲击对产品造成的影响控制在可接受范围内。聚乙烯泡沫材料是一种交叉键合的闭孔型塑料，基于其闭孔特性，当材料受到冲击时，泡孔产生变形，吸收能量并缓和冲击，因此聚乙烯泡沫作为缓冲材料被广泛应用。

在产品跌落冲击缓冲材料的过程中，泡沫受冲击变形的瞬态过程非常复杂，伴随着几何非线性、材料非线性和接触非线性。本文基于LS-DYNA显式计算分析了泡沫缓冲材料的对产品冲击载荷的响应过程。

2、模型说明

为了提高计算效率，将包装系统对产品的缓冲过程简化为如图结构，钢球代表产品，泡沫体代表包装缓冲系统。

泡沫的材料参数按照GB/T 8168—2008 包装用缓冲材料静态压缩实验方法进行压缩实验，测得聚乙烯泡沫应力-应变曲线，根据性能曲线转化得到，具体如下图。

①材料定义：

泡沫缓冲块的结构尺寸为260 mm× 260 mm×100 mm，通过MAT5定义材料属性。产品钢球的材料为碳素结构钢，密度为7850 kg/m2，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，通过MAT20定义为钢体。

②接触定义：

模型的接触面为缓冲垫与产品，接触面为非线性实体接触，选择“Pure Penalty”惩罚函数方法对接触面进行控制，阻止模型之间的穿透行为，接触面采用主-从面接触，且钢球为主面，忽略摩擦作用。

③网格控制：

对于有限元分析，单元质量和尺寸直接影响到计算结果的精度和效率，模型缓冲体网格采用规则的六面体，球体采用mixed的四边形，通过控制单元Size ，控制模型和计算效率。

④施加载荷与约束：

设置钢球初速度为5 m/s ，方向垂直指向缓冲体，模拟产品跌落的冲击载荷。模型重力加速度9.8 m/s2，方向指向地面，缓冲体下表面施加固定约束，设定仿真分析时间为100 ms。

⑤输出设置：

通过database设置输出控制，输出单元、节点结果，同时输出接触力的时间历程结果。

3、计算结果

计算过程中，最小步长为10e-8，结果如下图所示。代表了冲击缓冲的过程响应，能量曲线，总能量恒定，钢球动能在冲击过程能量减少，并转化为泡沫的内能。代表冲击力的变化过程，显示了最大冲击载荷及减缓历程。

本项目以泡沫实验数据为基础， 利用MAT5模型将实验数据引入LS-DYNA软件，应用于泡沫缓冲系统的跌落冲击过程仿真分析，验证了该方法的可行性，为非线性缓冲系统的有限元分析提供了参考价值。

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