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【關鍵詞】折疊紙盒 有限元法 強度 等效模擬
折疊紙盒憑借其原材料的環保性、可裝潢性、可印刷性等其他包裝不可替代的特性[1],在物資流通和包裝行業深受人們的青睞,廣泛應用于食品、藥品、化妝品、煙酒等日常生活用品的包裝。盡管折疊紙盒不是運輸包裝容器,但作為一種“剛”性包裝容器而言,折疊紙盒也應具有足夠的強度來抵抗變形和破壞的力量,才能對商品提供足夠的保護和便于銷售時對商品進行陳列和展示[2]。
近年來,國內外學者對折疊紙盒的抗壓強度進行了不少研究,王金林[3]論證了紙盒抗壓強度和白板紙挺度的關系;Grangard[4]通過大量的試驗確定經驗公式BRDA式具有較高的相關性;余本農[2]根據瓦楞紙箱抗壓強度公式推導出折疊紙盒的經驗公式;劉慧和張新昌[5-6]研究了管式折疊紙盒的結構和幾何尺寸對抗壓強度的影響,并且探討折疊紙盒抗壓強度經驗計算公式;袁毅等[7]研究鎖底結構形式對紙盒承載力的影響。但以上學者的研究主要還停留在試驗研究的基礎上,由于試驗的不穩定性以及各種尺寸折疊紙盒試驗樣品獲取困難,要想更好地掌握折疊紙盒承載能力和抗壓變形能力不能只停留在單純的試驗研究上,應該從原材料自身入手,結合理論與試驗結論,借助于有限元分析技術來對折疊紙盒承載能力和抗壓變形能力進行仿真模擬,不僅可以縮短實驗周期,節約試驗費用,還能夠對紙盒各個部位作研究和討論,更為直觀地得到折疊紙盒各個部位的力學狀態對包裝性能的影響。
1 有限元法的概念
有限單元法最初是20世紀50年代作為處理固體力學問題的方法出現的,并隨著電子計算機的發展而迅速發展起來的一種現代計算方法。作為計算機輔助工程CAE的一種,使用它大大提高了產品開發、設計、分析和制造的效率和產品性能[8]。
有限元法是一種基于變分法而發展起來的求解微分方程的數值計算方法,其基本思想是把一個連續的介質(或構件)看成是由有限數目的單元組成的集合體,并在每一個單元中設定有限數量的節點,在各單元內假定具有一定的理想化的位移和應力分布模式,各單元間通過節點相連接,并藉以實現應力的傳遞,各單元之間的交接面要求位移協調,利用彈性力學、固體力學、結構力學等力學中的變分原理去建立一套線性方程組,從而將一個連續域中的無限自由度問題轉化為離散域中的有限自由度問題,求解這些方程組,便可得到各單元和結點的位移、應力。簡言之,就是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解,即化整為零分析,積零為整研究。對于不同物理性質和數學模型的問題,有限元求解法的基本步驟是相同的,分為前處理、處理和后處理3個階段,只是具體公式推導和運算求解不同。
2 有限元法在分析紙盒強度時要考慮的問題
2.1 研究參數的選取問題
根據理論分析可以得出,折疊紙盒的抗壓強度受到紙板原材料性能以及紙盒的結構形式和結構參數的影響。紙板原材料性能包括紙板的環壓強度、挺度、厚度和定量等,紙盒結構形式包括管式、盤式、管盤式和非管非盤式等,紙盒結構參數主要指的是紙盒的幾何尺寸長、寬和高。對于研究紙盒強度問題,在單純的試驗研究時首先是確定紙板原材料和紙盒結構形式,然后對改變不同幾何結構參數的紙盒進行測試,看紙盒是否滿足強度和剛度的要求。
其實,紙盒的結構形式和原材料性能在很大程度上決定了紙盒的特點和工藝效果,提高紙板的挺度和環壓強度,優化紙盒的結構和幾何尺寸都可以提高紙盒的抗壓強度,若是僅僅靠改變結構參數來研究紙盒強度性能,很難做到對紙盒抗壓強度的系統化研究。而且目前對紙盒強度的研究主要是基于“設計―盒樣―試驗―修改”不斷循環的優化過程模式,這樣既麻煩又浪費大量成本。所以在基于有限元法研究紙盒各個參數的同時還應該考慮紙盒結構形式、原材料屬性以及還未進行過研究的參數。另外,有限元模擬分析既可以針對某一參數變量的研究,也可以對多參數的交互作用進行研究,我們可以根據需要靈活運用。
2.2 有限元等效模擬分析問題
有限元法對紙盒壓縮過程的數值模擬就是利用一定的方法,將結構和應力變化的復雜過程近似模擬出來,它包括結構靜力學的計算和結構非線性的計算兩部分。在有限元仿真模擬分析中,幾何實體模型的建立及簡化、單元類型的選取、有限元網格模型的生成、約束條件的設置和載荷的施加都顯得尤為重要,它們都將直接影響到最終仿真計算結果的精確性。
(1)幾何模型建立及簡化問題
折疊紙盒的受力壓縮過程是一個實際問題,考慮到壓縮的復雜性和多樣性對有限元分析計算結果的影響,必須對紙盒結構進行合理簡化,把實際結構簡化成計算模型,然后再利用有限元法來分析解決問題。為了方便有限元建模及計算,在不失真的前提下,對紙盒結構可做如下的簡化處理。
①鑒于紙板原材料的特性,將紙板等效成一塊正交各向異性的復合材料板;②忽略非承載件的影響,將紙盒的六個面板都看作是四邊簡支板,忽略紙盒上的小結構,如側板上的襟片以及插舌等;③認為結構中的粘合是理想粘合,忽略襟片粘合不牢所引起的強度弱化問題。
由于紙盒結構規則,對紙盒結構進行合理簡化之后,可以選擇直接在有限元分析軟件ANSYS中采用“自底向上”法建立模型。需要注意的是,簡化一些無關緊要的細節能使分析求解盡可能地高效,但是隨著襟片和其它一些細節被簡化,在它們鄰近區域內仿真模擬計算出的應力值可能不準確,導致該區域計算的結果不能反映真實應力。因此,可以考慮采用在模型中添加該細節重新計算、子模型法和外插值法3種方案對局部應力進行考察。
(2)單元類型選擇問題
在有限元分析過程中,對于不同的問題,需要應用到不同特性的單元,ANSYS單元庫中提供了超過250種的不同單元類型,每一種單元都是專門為有限元問題而設計的。因此,單元選擇不當,直接影響到計算能否進行和計算結果的精度。根據紙板原材料的結構,由于紙板的厚度相對較薄,理論上可以將其簡化為正交各向異性薄板。在薄板構件的有限元分析中,一般采用殼體單元或者三維實體單元進行分析。根據國內外一些研究資料和有限元分析數據,采用殼體單元對紙板結構進行分析可以獲得足夠精確的結果,并且采用殼體單元分析可以比采用實體單元分析節省大量的時間。
殼單元是為有效建立薄的結構而特別設計的單元類型,它用于主尺寸不小于10倍厚度的結構。ANSYS中提供了一系列殼體單元,常見的有:SHELL63、SHELL43、SHELL93、SHELL181等。其中SHELL181是一個4節點的四邊形薄板殼結構,如圖1所示,它含有I、J、K、L四個節點,每個節點含有6個自由度,即沿X、Y、Z方向上的三個平動自由度和繞X、Y、Z軸的三個轉動自由度。它可以支持材料塑性、應力剛化、大應變,適用于從薄到中等厚度的薄板殼結構。因此,根據紙板本身特性和紙盒壓縮的實際過程,為了獲得更精確的模擬數據,建議選擇SHELL181單元類型進行分析。
(3)網格劃分問題
ANSYS的運算最終是通過有限單元法進行,因此對建立好的幾何模型進行網格劃分是ANSYS分析的一個重要內容。網格劃分直接影響到計算結果的精度和計算速度,甚至會因為網格劃分不合理而導致計算不收斂。目前對于網格劃分,有兩種劃分方式:自由網格劃分和映射網格劃分,這兩種網格劃分方法各有優缺點。自由網格劃分適合于初學者使用,劃分耗時較少,而映射網格計算結果的精度一般要高于自由網格的計算精度。充分考慮到紙盒各部位的結構,可以采用自由網格劃分和映射網格劃分相結合的方法。對紙盒面板結構使用自由網格劃分,在可能出現應力集中的位置或擬定的重點考察位置采用映射網格劃分,使之能以較高的精度得到這些位置的應力,從而保證計算結果的精度。
另外,網格數量的多少影響計算結果的精度和計算分析時間,但并非網格劃分的越細得到的結果就越好,因為網格太密太細,會占用大量的分析時間。為了考察網格劃分的合理程度,在計算模型建立后進行試算,以考察模型精度,特別是重點考察區域的精度。對于紙板類結構,保證單元邊長在lmm-2mm之間時基本都能取得理想的結果。
(4)約束與加載問題
建立紙盒有限元分析模型應當在每個坐標軸方向上至少給定一個約束,受約束節點的數量根據實際情況具體確定。定義約束條件是一個容易產生較大誤差的地方,紙盒的約束是根據其具體結構確定的。紙盒的壓縮試驗是在上下兩塊光滑的壓盤上進行的,顯然壓盤的剛度比紙盒大的多,上壓盤以緩慢的速度加載,最后將紙盒壓潰。當紙盒在水平壓盤上加載受壓時由于摩擦力的作用與上壓盤接觸的紙盒面板只會沿豎直方向被壓縮,而與下壓盤接觸的紙盒面板相當于被固定在水平的壓盤上,不會有水平的滑動也沒豎直方向的壓縮。故對紙盒施加約束時,應將紙盒受壓時的邊界約束條件等效化,根據紙盒的受力以及實際破壞情況,紙盒面板與上下壓盤接觸的各節點豎向位移耦合,與上壓盤接觸的各節點豎向位移耦合,施加共同向下的位移,下壓盤固定不動,對與下壓盤接觸的各節點的所有自由度施加約束,即對紙盒模型的四個側板的底部進行約束,保證這些部位的節點不發生平動或轉動。
在ANSYS分析中,載荷包括邊界條件和內外部的作用力函數,在不同的分析領域中具有不同的表征,為了真實地反映實際物理情況,將載荷分為自由度約束(DOF)、集中力載荷、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷等。載荷可以直接在實體模型上加載,如將載荷施加到關鍵點、線或者面上;也可以在有限元模型上加載,即直接將載荷施加到節點和單元上。這兩種方法各有利弊,但無論選用何種途徑加載,程序都會自動將這些載荷轉移到有限元模型上。在紙盒壓縮過程中,紙盒面板主要承受壓盤施加的作用力,為了模擬實際壓縮情況,應該選擇在紙盒上加一個剛體,最后在剛體上施加一定載荷。
(5)非線性求解問題
紙盒的受力壓縮過程是一個囊括了材料、狀態、幾何三種非線性問題的復雜受力過程。材料非線性是指紙板原材料的應力-應變關系引起的非線,而且是不可逆轉的;狀態非線性是指紙板壓縮后引起的接觸問題;幾何非線性是指紙板在壓縮的過程中其變化的幾何形狀引起的非線性響應,屬于大應變類型。作為復雜的非線性分析,涉及到求解器的選擇、載荷步長的選取、子步數的設置、迭代收斂準則、自動時間步長等許多非線性因素,求解設置比較復雜,若處理不當就會造成分析結果不收斂或者分析中斷等情況出現。因此,為了保證模擬計算的順利實現并獲得準確的計算結果,在前期求解設置時可以針對不同情況進行多次試算,以獲取最佳的求解設置參數,特別是控制好平衡迭代及收斂準則之間的關系。
結語
近年來,隨著計算機技術、現代力學和計算數學的發展,有限元法作為一個具有堅實理論基礎和廣泛應用效力的數值模擬分析工具,在包裝工程領域方面的應用越來越多。包裝設計及研究人員將這種技術引入到研究包裝材料的系統中,不僅提供了一種新的研究思路,而且有效地提高了工作效率,降低了包裝設計成本。但目前情況下,有限元法在紙類容器強度研究方面還不夠成熟,尤其是折疊紙盒抗壓強度的研究。由于受紙板原材料特性的制約,尚未有用于紙板壓縮應力分析評定的系統方法,這樣就不能區分出應力的類型,造成有限元法不能對應力進行進一步分析,得出的結論可能對紙盒結構的優化提供不了更加可信的科學依據,因此,這些方面還有待進一步的研究與發展。
總之,有限元法為包裝設計及研究人員提供了更為直觀更加快捷的研究手段,通過使用有限元分析的方法我們就能夠建立起紙盒的有限元模型并研究和分析它的力學特性。可以樂觀地估計,在不遠的將來,有限元方法將非常廣泛地應用到紙盒強度的研究領域,它將推動計算機輔助分析在包裝工程方面的應用向更高的水平發展。
參考文獻
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[5]劉慧,張新昌.折疊紙盒結構及其尺寸對抗壓強度的影響[J].包裝工程,2008(5).
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[7]袁毅,肖穎吹.折疊紙盒鎖底結構承載力實驗研究[J].包裝工程,2014(7).
[8]李曉麗.蜂窩紙板靜態壓縮力學性能仿真研究[D].淮南:安徽理工大學,2011.
作者: 云海雨中狼
亙古不變的銀河
那不眠的星星
像我深邃的眼睛
視線所及之處如風卷殘云
......................
空手來到世間
帶著遺憾無限
風里云里揮一揮衣袖
告別今生最后一次心的驛動
祈愿下一世你我有新的開始
......................
在夢里用無邊無際的網
樂此不彼的撲捉你的影
來來回回總是兩手空空
窮盡力量你仍漂浮不定
...................
失去了并不可怕
可怕的是人去情未了
點點回憶滴滴淚水
風風雨雨總在尋尋覓覓
忽隱忽現在水一方
...................
昨日斜陽無限
今夜月光黯然
日落月起黑白軌跡
擦肩而過情深緣淺
................
選擇
是對還是錯
明明白白為情所困
是愛還是恨
真真假假為心所累
................
我們
是別還是離
反反復復欲哭無淚
是生還是死
來來回回難舍難棄
................
從此
對還是錯無法明辨
愛還是恨無力牽絆
別還是離無從回避
生還是死無所選擇
................
只有
生死一步
在后者下世輪回里
在一個疊千紙鶴
女孩的手指間
做一千張白紙
在靈巧的手指間
用今生寂寞沉淀的顏色
做一只只色彩斑斕的千紙鶴
在折折疊疊中
重溫前世你指間的溫柔
經意與不經意間
已在手心里撫平傷痕累累
.....................
我眷戀著被折疊的溫柔
甘愿化作美麗的千紙鶴
給你一千個祝愿
愿時光還能重回
愿世間不在無常
祈禱上蒼剪碎所有的憂傷
祈禱上蒼剪去所有的負累
.....................
星移物換的祈盼
是如泣如訴的纏綿
祈盼你是那疊鶴的女孩
讓我成鶴的身影纏綿在你手心里
.....................
薄薄的白紙在你手指間
附于生命
柔柔的輕羽又如何讓我載動
你的愛意
.......................
燭光下
你在想什么
笑的那么甜
燭光下
你在想什么
凝眸深處可有我在心房
...............
淺淺相遇
淡淡相忘
燭光剪影
悠悠歌傷
什么也沒說
什么也不用說
一千個美麗一千只千紙鶴
我愿做你手心里美麗的千紙鶴
[關鍵詞]煤氣混合;自抗擾控制;擴張狀態觀測器;解耦
中圖分類號:TP273 文獻標識碼:A 文章編號:1009-914X(2013)36-0406-02
引言
在煤氣混合的過程中,蝶閥的開度既影響流量也影響壓力,流量調節與壓力調節之間存在嚴重耦合,同時四個蝶閥之間的調節也相互影響,這說明系統存在著比較強烈的耦合現象。本文采用ADRC靜態解耦技術和ESO動態解耦技術,建立煤氣混合的多變量控制系統,實現對兩道蝶閥的解耦控制。
1 煤氣混合過程雙蝶閥串聯系統數學模型
以下以焦爐蝶閥組為例,對蝶閥串聯系統具體說明如下。
圖1中,P0為1#蝶閥前焦爐煤氣壓力,P1為2#蝶閥前焦爐煤氣壓力,P2為2#蝶閥后焦爐煤氣壓力,u1,、u2分別為1#蝶閥和2#蝶閥的開度,Q為焦爐管道煤氣流量。
根據文獻[12],壓力一流量過程可以描述為
兩個回路都處于開環時,被調流量Q對u1的增益即第一放大系數是
壓力回路閉合時,Q對u1的偏導數即第二放大系數是
根據相對增益的定義有
從公式(1)中解出u1和u2并代入式(4),就可以用壓力來表示增益,即
同樣可以求出u2對流量Q的相對增益?12
如果改用P1來描述此壓力一流量系統,即
則可確定另一增益,對(7)式求取偏導數,就可分別推導出u1、u2對P1的兩個通道的相對增益。
這時,壓力一流量系統的輸入輸出關系可用相對增益矩陣表示可寫為
已知某系統焦爐煤氣管道壓力為P0=6.2kPa,P1=5.5kPa ,P2=5.0kPa,則增益矩陣為
十分接近0.5,表明系統存在嚴重耦合。由式(8)可的控制系統的數學模型可表示為
在調試過程中反復試驗,可得,式中,。
2 蝶閥串聯系統的ADRC解耦控制器設計
2.1 ADRC靜態解耦
由于實際運行過程中,靜態耦合矩陣?具有不確定性,所以在其變化范圍內取粗略估計值,近似誤差可歸結為擾動量。
利用靜態解耦補償器對被控對象進行解耦,令
其中為各通道的虛擬控制量,則
則靜態解耦補償器為
靜態解耦補償后,式(10)可以描述為
這樣,一個復雜的MIMO系統(10)的設計就轉換為兩個相同的SISO一階慣性系統的設計,非常容易實現.
可見,ADRC靜態解耦技術突破了常規的矩陣求逆解耦方法的限制,它只需知道?陣的粗略估計值?0,而且不受?陣奇異性的限制。
2.2 ADRC結構設計
若應用自抗擾控制技術,需將對象模型(14)轉化為ADRC常使用的標準形式。
di為各通道未知總擾動。b0i為可調參數。
解耦后的各通道可分別按常規的SISO 系統進行ADRC的設計。常規ADRC由跟蹤微分器(TD)、擴張狀態觀測器(ESO)及非線性反饋控制(NF)三部分組成。
ADRC結構如圖2所示。TD是一個一階微分跟蹤器,負責安排給定速度信號的過渡過程,其表達式為
式中 為給定信號,為跟蹤信號,,R為跟蹤參數,α0,δ0為控制參數。
fal函數的表達式為
各子系統的二階ESO可設計為:
式中,z1i、z2i分別為ESO的輸出,?ji和b0i分別為ESO的增益和可調參數。,。選取適當的參數?ji和b0i使ESO快速收斂,z2i即可跟蹤系統總未知擾動fi。
非線性反饋是一個非線性狀態誤差反饋控制器,其表達式為
式中,ei為誤差項,e0i為誤差變化率。和為控制器的增益。
則自抗擾控制器總的輸出為
ADRC控制器的最大優點在于將系統中的各種擾動因素(包括系統模型攝動內擾、未知外擾等)都看做對系統的總擾動,通過ESO進行估計并給出相應的補償,從而達到抗干擾的功能。這種基于ESO的ADRC動態解耦方法是對傳統解耦方法的突破。
3 結論
本文將ADRC技術應用于煤氣混合蝶閥串聯系統的控制。根據?陣的粗略估計值設計ADRC靜態解耦網絡,解耦后各通道的ADRC可分別按常規的單變量系統來設計。對于模型攝動造成靜態解耦不匹配和通道間的動態耦合,通過擴張狀態觀測器來估計并予以補償。ADRC由Simulink編程實現。仿真結果表明,系統不僅具有較好的跟蹤性能、抗擾動能力,而且解耦效果優良,解決了煤氣混合蝶閥串聯系統的強耦合、時變、干擾因素多等對系統造成的不良影響。因此,該控制方法具有很好的應用前景。
參考文獻
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[2] 孟春,夏晨.SMAR智能調節器與混合煤氣熱值的控制[J].河北冶金, 2002(4):53-55.
人類的知識來源于前人對實踐的總結。總結實踐經驗形成的書籍,是千百年來人類智慧的結晶。讀書就是瀏覽歷史,就是縱觀人類的進步歷程,就是用幾年、十幾年的時間獲取人類幾千年的文明。
我非常喜歡讀書,因為我認識到了讀書的意義。
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這本書中收集了幾十個小故事,每一個都很精彩,它牽著我的手走進了奇妙的七彩世界,徜徉在時空隧道之中。
我知道了什么叫“籌算”,這種源自春秋戰國的算術方法體現了我國古代文明。我想考考爺爺奶奶,他們可都是學數學的。“你們知道什么是‘籌算’嗎”?我一本正經的問爺爺奶奶。爺爺哈哈笑著說:“你這趟青島不白去,不但玩得美了,還知道了‘籌算’,爺爺奶奶上大學的時候就知道了”,爺爺還用牙簽給我演示了一下。“咱們是上大學的時候在講數學發展史的課上學到的,人家孩子上小學就知道了,比咱們強”,奶奶在一旁說道。
爺爺奶奶小的時候社會資源匱乏,沒有條件廣泛的閱讀,我現在有讀不完的書,爺爺奶奶甚至爸爸媽媽都很羨慕我,趕上了好時候。
讀書不但要獲取知識,還有從中學會做人。
你知道什么是“千紙鶴”么?以前我聽說過,是用來表達對別人美好祝愿的,據說疊一千個紙鶴,就能實現一個愿望。這本書里有一個關于紙鶴的辛酸的故事。
一個又聾又啞的殘疾女孩,生活在孤兒院中,雖然享受到社會帶給她的溫暖,但很孤獨,于是折了一個紙鶴拋出墻外,去尋求快樂。一個80多歲的孤老院中的老人見到了這個紙鶴,于是也折了一個,寫上祝福的話,紙鶴又“飛”了回來……
紙鶴在老人和孩子中間飛來飛去,小女孩從老人給她的紙鶴中認識了更多的字、學會了詩詞以及做人的道理;老人在帶個孩子快樂和知識的同時,自己也享受到了天倫之樂。幾年以后,當老人老的不再能為她折紙鶴的時候,小女孩又陷入了孤獨。
我感到心酸,是因為這兩個都需要社會關愛的人被遺忘了,居然需要他們自己去尋求慰籍。我鼻子酸酸的看完這個故事,意識到了一份責任,并不是長大以后要怎樣,是現在就要學會愛別人,雖然我的力量是有限的,但愛心是無限的。只要有愛心,人人都獻出一份愛,比如說在周末的時候去孤兒院和殘疾兒童一起做做游戲,到孤老院去看看老人給他們唱一首歌,那這個世界上就會多一份歡笑,少一點可怕的孤獨。