來源：聯想（北京）有限公司    作者：張成      
關鍵字：泡沫材料  發泡聚乙烯  Abaqus  

仿真的準確性，很大程度上取決于材料屬性的準確性以及用何種方式添加材料屬性。在abaqus中有幾種材料屬性可以用來定義泡沫材料，本文的內容就是比較其中兩種定義方式在計算機包裝中的應用和不同。

1.概述

       消費和商用級別的計算機的結構所承擔的風險主要來自于計算機在生產完成到用戶開機使用的中間過程中，也就是通常所說的運輸、存儲過程。在這個過程中，搬運人員的拋擲、摔放、人為失誤造成的整機跌落、以及運輸過程中的顛簸都是對計算機結構強度的考驗。因此，泡沫緩沖材料對計算機的結構來說就顯得十分重要。

       在計算機的研發過程中，包裝的設計需要參考整機沖擊和跌落的仿真結果來優化改進。因此，仿真的準確與否就直接決定了包裝設計的可靠性。而仿真的準確性，在除去網格劃分、邊界條件施加等仿真工程師的主觀因素之外，最終要的是取決于材料屬性的準確性以及用何種方式添加材料屬性。

2.發泡聚乙烯材料

       發泡聚乙烯材料，即EPE材料，也被稱作珍珠棉，它由低密度聚乙烯脂經物理發泡產生無數的獨立氣泡構成?？朔似胀òl泡膠易碎、變形、恢復性差的缺點。具有隔水防潮、防震、隔音、保溫、可塑性能佳、韌性強、循環再造、環保、抗撞力強等諸多優點。消費和商用級別的計算機通常使用這種材料作為主要的包裝填充材料。

       2.1 發泡聚乙烯的材料特點

       EPE材料屬性有別于常規的彈塑性材料，甚至有別于超彈性材料和同樣是蜂窩結構的其他金屬蜂窩材料。通常，EPE材料的壓縮應力應變曲線如下圖：

 

圖1 EPE材料的常規壓縮應力應變曲線

       壓縮過程分為三個階段：

       小變形階段，材料內部氣泡壁彎曲變形，此階段的材料行為可以看成是線彈性的。

       穩定階段，此階段應力基本不變，變形上升，此階段材料內部氣泡壁發生屈曲。

       致密階段，這時氣泡壁被擠壓在一起，應力直線上升，應變變化較小。

       2.2 發泡聚乙烯材料實驗

       常用的EPE材料按密度分為18kg/m³、20kg/m³、25kg/m³、28kg/m³等多種規格，不同密度再加上不同厚度，EPE材料會表現出非常多的屬性特征。因為本文重點不在于研究EPE材料本身，因此只選取在計算機制造行業常用的一種EPE，即25kg/m³，厚度40mm材料作為比較對象。

       參照國家對此類材料的實驗標準《GB/T 8168-2008 包裝用緩沖材料靜態壓縮試驗方法》，在萬能試驗機上對若干樣品進行壓縮，得到實驗數據。

 

圖2 EPE 材料壓縮實驗
（a）試驗樣本；（b）壓縮實驗；（c）試驗前樣本；（d）試驗后樣本變形

       從圖2可以看出EPE材料也并非各向同性材料，它在沿著火合面和垂直火合面的方向上的材料屬性并不一致，但是差距很小。為了簡化起見，利用實驗平均值將其視為各向同性。對試驗數據平均后得到單軸壓縮曲線如圖3：

 

圖3 EPE實測應力應變曲線：橫坐標應變；縱坐標應力（MPa）

3.Abaqus中對EPE的模擬

       Abaqus對泡沫材料有三種典型材料賦予方式，分別是hyperfoam、low density foam以及crushable foam，其中前兩種是彈性材料，第三種為塑性材料。又因為low density foam并不適用于EPE材料，所以本文只討論hyperfoam和crushable foam。

       選取聯想某型號臺式計算機及其包裝作為研究對象，真實模擬整機從1m高度跌落的緩沖過程。

 

圖4 聯想某機型和緩沖材料仿真模型

       3.1 Hyperfoam

       Hyperfoam的定義路徑為property-material-create-mechanical-elasticity-hyperfoam，根據hyperfoam的材料定義方式，選擇直接使用實驗數據。計算結果如下：

 

圖5 機箱和緩沖材料變形云圖：（a）材料受沖擊壓縮階段；（b）反彈階段

       在正面跌落后，底面的緩沖材料厚度方向壓縮量達到38mm，壓縮率95%，反彈后材料 完全恢復，根據節2.1的材料特性以及節2.2的實驗可以知道，材料壓縮到95%后，屬于EPE材料的致密階段，卸載后短時間內很難恢復原有形狀。因此可見在模擬過程中，恢復階段的模擬是失真的。

       3.2 Crushable Foam

       Crushable Foam的定義路徑為property-material-create-mechanical-plasticity-crushable foam，根據實驗數據，換算對應塑性應力應變值，賦予材料屬性。計算結果如下：

圖6 機箱和緩沖材料變形云圖：（a）材料受沖擊壓縮階段；（b）反彈階段

       在正面跌落后，底面的緩沖材料厚度方向壓縮量為24.8mm，壓縮率62%，反彈后材料仍有20mm的變形，根據節2.1的材料特性以及節2.2的實驗可以知道，材料壓縮到62%，屬于EPE材料的穩定階段，卸載后材料的塑性變形量非常小，不會出現計算中的20mm變形。并且根據實際跌落試驗，緩沖材料的最大壓縮率遠大于60%，因此可見在模擬過程中，沖擊階段和恢復階段的模擬都存在一定誤差。

4.兩種定義方式的比較

       對于EPE材料，目前沒有完全準確的材料模型能夠定義其動態力學特性，只能盡可能接近真實情況。對于兩種定義方式，總結比較如下表：

表1 兩種定義方式比較

 
 

       Hyperfoam的材料參數可以從實驗中直接獲得輸入，相比較而言，Crushable Foam的材料參數就困難得多，從而導致在計算中對緩沖材料的計算不準確。但是Hyperfoam材料為完全彈性的，在計算過程中材料一直保持高彈性，導致系統的總能量在整機和緩沖材料之間來回交換，整機和緩沖材料的運動會越來越偏離真實情況。

5. 結論

       兩種材料定義方式在計算機業內對整機的仿真過程中都有用到，也都被認可。但是由于其精確性存疑，因此對包裝設計的指導意義一直停留在建議層面。本文根據國家標準測定了常用緩沖泡沫的材料屬性，并利用該材料屬性比較兩種定義方式在Abaqus中的計算結果，證明兩種方式都存在缺陷。

       但是在計算機設計中關注的主要是跌落過程的第一次沖擊擠壓，如果只關注這一點的話，兩種方式相比較而言，Hyperfoam的材料參數更容易獲得，會有更高精確度，在沒有其他更好的方式之前，本文建議使用此種材料定義方式。

    

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