仿生蛛網結構有機硅膠緩沖墊緩沖性能

田野，羅榮超，廖昌宇，于佳鑫

仿生蛛網結構有機硅膠緩沖墊緩沖性能

田野，羅榮超，廖昌宇，于佳鑫

（哈爾濱商業大學，哈爾濱 150028）

針對高精密軸承緩沖包裝墊的緩沖能力不足問題，提出一種新型仿生蛛網結構緩沖墊。根據自然界中片狀蛛網的形態，確定蛛網結構緩沖墊構型，依據緩沖墊的結構及其徑向絲、捕絲等參數之間的關系，建立力學模型和目標優化模型，分析在有限元仿真環境中3種跌落高度下軸承與蛛網結構緩沖墊的應力云圖。制作蛛網結構緩沖模具并進行澆鑄，完成軸承的跌落試驗。對跌落試驗的數據進行分析處理，可以得到在381、610 mm跌落高度下，軸承所受最大應力并未超出其材料的屈服強度。有蛛網結構緩沖墊比沒有蛛網結構緩沖墊時軸承所受的沖擊加速度分別下降了86%和78%。試驗結果可與有限元仿真分析互相驗證，為高精密軸承運輸跌落過程中的防護提供技術支撐。

結構仿生；有限元仿真；有機硅膠；緩沖襯墊

精密軸承決定著高精尖設備性能的優劣，人們往往重視其使用過程中的性能，而忽略了生產到使用環節對其性能的影響。目前對于精密軸承的包裝，一般采用“塑料袋-緩沖包裝-包裝紙盒”的包裝方法[1-3]，這種方法無法實現防塵、緩沖、防銹等防護功能。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）[4-6]作為新型的緩沖包裝材料，具有優異的緩沖性能。張振宇等[7]提出利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的航空軸承緩沖包裝墊，以此來提高對軸承的保護。田亞男等[8]提出一種在對軸承包裝時，通過施加預緊力對軸承組合體進行定位，從而起到對軸承的防護。Matthew Lamb等[9-11]通過對比松散填充淀粉珠與乙基纖維素泡沫220的性能，發現松散填充淀粉珠可以提供合理的整體緩沖性能，可作為替代工程緩沖材料的一種方法。于征磊等[12-15]通過借鑒蜂窩結構的特點建立了3種蜂窩結構模型——仿直蜂窩、仿斜蜂窩、平板結構，通過對比仿真與實驗的結果發現，仿斜蜂窩結構具有良好的力學傳導性能和更好的承載能力。陳曉薇等[16-17]根據仿生方竹結構，對電池箱體中的橫梁結構進行設計，通過分析發現仿生橫梁具有更好的耐撞性和穩定性。Zhang等[18]建立了仿生竹梁的彎曲模型，采用了響應面仿生竹輕量化設計方法。Huang等[19]采用的高微化纖維的緩沖材料在動態和靜態壓縮實驗中具有較強的抗固化沖擊性能。

文中提出一種采用HL-1029材料的蛛網結構緩沖墊的方法，通過建立蛛網結構的力學模型并優化，設計緩沖墊的具體結構，通過3D打印技術得到模具并澆鑄仿生緩沖墊。利用有限元軟件進行仿真，最后在實驗室中模擬包裝件在運輸過程中的跌落過程，分析整理實驗數據，驗證仿真分析和蛛網結構緩沖墊的緩沖性能。

1 蛛網構型仿生研究

1.1 蛛網結構緩沖墊力學模型

根據自然界中蜘蛛網的形狀，確定蛛網緩沖墊的具體形態為片狀正多邊形，現將其簡化為只含有捕絲、徑向絲和中心的幾何結構，見圖1。

圖1 蛛網幾何結構

如圖2a所示，將圖1中的蛛網結構簡圖立體化，賦予其一定的厚度，其中受力面為蛛網結構的上表面，設蛛網結構總體受力為，其上表面面積為，從中取一單元體進行分析，其中d、d、d為單元體各方向原長，變形后長度改變量為0、0、0，受力變形后的長度為d0、d0、d0，單元體受力為d，見圖2b。

由微元分析可知，當微小面積無限縮小趨于0，則力的集度極限值為：

積分可得：

蛛網結構整體的正應力為：

1.2 蛛網結構緩沖墊厚度計算

經測量可知試驗用高精密軸承的質量為2.2 kg，脆值c通過查閱標準可知為120[20]。根據ASTM-D4169（美國材料試驗協會標準）[21]中產品跌落測試高度標準，取試驗跌落高度為381 mm。

圖2 蛛網結構

HL-1029是一種低粘度、雙組分、高透明的有機硅灌封膠，可以室溫固化，具有很高的透明度，通常用于精密電子元件的灌封和密封，可以用來作為軸承緩沖墊的原材料。將高精密軸承放在HL-1029蛛網結構緩沖墊上，軸承外圈與內圈之間環狀部分與緩沖襯墊的接觸面積即為受到的緩沖面積，通過軟件計算可得為0.0034 m2，緩沖墊受到的最大應力為：

式中：為軸承質量。

由HL-1029的本構關系可知，其應力-緩沖系數曲線見圖3。

圖3 HL-1029硅膠材料的應力-緩沖系數曲線

擬合圖3中的曲線可得，當應力為0.7765 MPa時，所對應的緩沖系數為0.556，計算蛛網結構緩沖墊的高度為：

因此，蛛網緩沖墊的最小厚度應大于2 mm，考慮實際運輸和搬運條件的惡劣，安全系數為2～10，取安全系數為9，則蛛網結構緩沖墊的厚度為18 mm。

2 仿真模擬

結合上述分析所得到的結構參數，在三維軟件中畫出蛛網結構緩沖墊的三維模型，見圖4。

為了研究不同跌落高度對蛛網結構緩沖墊緩沖性能的影響，查閱國際跌落標準后，將跌落高度分別設置為381、610、700 mm，根據自由落體公式（式（6））可以得到軸承下落至地面時的速度分別為2.732、3.460、3.706 m/s。仿真材料使用的軸承鋼密度為7800kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，緩沖材料為有機硅膠HL-1029，緩沖材料密度為970 kg/m3，仿真時長為0.05 s。

跌落試驗是一瞬間完成的動作，可以用動力學模塊來求解。整個試驗模型由試驗軸承、蛛網結構緩沖墊以及剛性地面等3部分組成，有限元軟件的環境下試驗軸承和蛛網結構緩沖墊的跌落狀態見圖5。

圖5 有限元軟件環境下軸承和蛛網結構緩沖墊的跌落狀態

3種跌落高度下，軸承的等效應力云圖見圖6。由圖6可以看出，最大等效應力均出現在軸承的底部外圈，將最大應力處放大可以看到，隨著軸承與地面距離的增加，軸承所受到的應力漸漸變小，軸承也沒有塑性變形和損傷。

隨著跌落高度的增加，軸承所受到的最大應力逐漸增大，由于實驗用的高精密軸承屈服強度為353～382 MPa，圖中跌落高度為700 mm時，應力最大為0.438 MPa，所以3種跌落高度下的最大應力均沒有超出且遠遠小于軸承材料的屈服強度。

3種跌落高度下，蛛網緩沖墊的等效應力云圖見圖7。由圖7可以看出，蛛網結構緩沖墊有一定的損壞，最大等效應力均出現在緩沖墊的底部。

蛛網結構緩沖墊所受到的最大應力隨著跌 落高度的增加而逐漸增大，3種跌落高度下蛛網 結構緩沖墊的捕絲部分均有不同程度的彎曲或者損壞。

圖6 軸承跌落時等效應力云圖

3 跌落試驗

3.1 試驗方法和所需設備

查閱跌落試驗跌落高度的國際標準，按照ASTM D 4169《美國材料試驗協會標準》中的相關規定得出跌落實驗標準高度。將軸承放于緩沖墊的上方并貼合，在試驗件表面放上加速度傳感器，然后置于跌落試驗機工作臺面上，用固定桿加以固定。將實驗臺面提升至設定高度，使試驗件自由落下，記錄軸承落地時的沖擊加速度，調節跌落高度，對比不同跌落高度下軸承的沖擊加速度的變化。

跌落試驗所需的設備有數據采集器、加速度傳感器、DJ-100B單臂跌落機，見圖8。軸承和蛛網結構緩沖墊見圖9。

3.2 試驗結果分析

有蛛網結構緩沖墊包裝的軸承跌落沖擊加速度數據見表2，軸承跌落沖擊加速度柱狀圖以及不同跌落高度平均沖擊加速度柱狀圖見圖10—11?？梢钥吹较嗤涓叨认?，4組跌落試驗所得到的沖擊加速度數值有較大差距，通過分析可知，軸承和蛛網結構緩沖墊在下落過程中可能會有輕微偏斜，軸承和緩沖墊以較小的傾角與地面接觸，造成4組沖擊加速度數值之間差距較大。由表2中數據可知，有蛛網結構緩沖墊包裝的軸承在381、610、700 mm 3種跌落高度上自由跌落后的沖擊加速度均小于軸承的脆值120。

圖7 蛛網結構緩沖墊跌落時等效應力云圖

圖8 跌落試驗設備

圖9 試驗樣件與傳感器

表2 HL-1029緩沖墊軸承包裝件跌落測試試驗數據

Tab.2 Drop test data of HL-1029 cushion bearing package

圖10 有緩沖墊時包裝件在不同高度跌落的沖擊加速度

圖11 有緩沖墊時不同跌落高度下平均沖擊加速度

有無蛛網結構緩沖墊在相同高度的平均沖擊加速度對比見圖12，可以看出蛛網結構緩沖墊可以有效地減小軸承跌落時所受到的沖擊加速度。

圖12 在相同高度有無緩沖墊跌落的沖擊加速度對比

4 結語

對蛛網結構緩沖襯墊的緩沖性能進行了理論分析和試驗驗證，得出如下結論。提出了一種采用有機硅膠材料作為航空精密軸承包裝緩沖墊的方法，并基于蛛網構型對緩沖墊的結構進行設計。增大徑向絲的結構參數作為軸承受力載體，計算得到最小緩沖墊厚度，并對其厚度進行設計，利用仿真分析驗證了理論計算的正確性。在有限元環境對不同跌落高度，含有仿生蛛網結構緩沖墊情況下的高精密軸承進行跌落模擬，分別得到高精密軸承和蛛網結構緩沖墊的應力云圖。通過跌落試驗得到軸承落地時所受到的沖擊加速度，試驗結果表明仿生蛛網結構緩沖墊可以為高精密軸承提供有效保護。

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Cushioning Performance of Biomimetic Cobweb Silicone Cushion

TIAN Ye, LUO Rong-chao, LIAO Chang-yu, YU Jia-xin

(Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

The work aims to propose a new type of cushion with bionic cobweb structure to solve the insufficient cushioning capacity of high precision bearing package cushion. According to the morphology of the flake cobweb in nature, the configuration of the buffer cushion of the cobweb structure was determined. According to the relationship between the structure of the cushion and the parameters such as the radial thread and the spiral thread, the mechanical model and the objective optimization model were established. The stress nephogram of the bearing and cobweb cushion under three drop heights in the finite element simulation environment was analyzed. The cobweb cushion mould was made and cast and the drop test of the bearing was completed. By analyzing and processing the data of the drop test, it can be obtained that the maximum stress of the bearing did not exceed the yield strength of the material. The impact acceleration of the bearing with cobweb cushion decreased by 86% and 78% respectively compared with that without the cobweb cushion at the drop height of 381 mm and 610 mm. It can be verified with the finite element simulation analysis. The research can provide technical support for the protection of high precision bearing in transportation drop.

biomimetic structure; finite element simulation; organic silicone; cushion

TB482.2；TB485.1

A

1001-3563(2022)03-0155-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.019

2021-08-12

國家自然科學基金（41772387）；黑龍江省自然科學基金（LH2020E027）；哈爾濱商業大學青年創新人才支持項目（2019CX04）

田野（1981—），男，博士，哈爾濱商業大學副教授，主要研究方向為工業產品運輸防護技術。