第38卷 第17期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol 38 No 17 246 2022年 9月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sept 2022 冰雹沖擊下塑料薄膜的損傷分析 朱自強 趙洪志 蔡沅冶 曲 嘉 哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院 哈爾濱 150001 摘 要 塑料薄膜的力學(xué)性能分析是薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方向 該研究采用試驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方式分析了冰雹沖擊下 塑料薄膜的破壞形式和損傷規(guī)律 并通過試驗結(jié)果驗證了數(shù)值模擬方法的有效性 通過數(shù)值模擬對冰雹在不同尺寸 不同 沖擊角度下單次和二次沖擊塑料薄膜進行了分析 此外對薄膜厚度和兩層薄膜之間的間距的影響進行了分析 結(jié)果表明 1 0 12 mm厚度的塑料薄膜可抵擋直徑10 mm以下的冰雹沖擊 但冰雹尺寸在30 mm以上時 塑料薄膜因拉伸應(yīng)力波的作 用而發(fā)生破壞 2 冰球二次沖擊塑料薄膜時會造成應(yīng)力波的疊加 導(dǎo)致薄膜加速破壞 3 在0 30 60 這3種沖擊 角度下 冰球沖擊角度為60 時造成薄膜的破壞面積最大 4 雙層薄膜的破壞面積隨薄膜之間的間距增大而增大 當(dāng)雙 層薄膜的間距控制在5 mm內(nèi)可實現(xiàn)雙層薄膜抗冰雹沖擊效果優(yōu)于厚度相同的單層薄膜 分析結(jié)果表明 改進薄膜結(jié)構(gòu) 的抗拉強度是提高薄膜抗冰雹沖擊能力的主要方向 該研究可為薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計和薄膜損傷分析提供參考 關(guān)鍵詞 力學(xué)性能 沖擊試驗 損傷分析 冰雹沖擊 線性低密度聚乙烯 塑料薄膜 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 17 027 中圖分類號 O341 文獻標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2022 17 0246 08 朱自強 趙洪志 蔡沅冶 等 冰雹沖擊下塑料薄膜的損傷分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2022 38 17 246 253 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 17 027 http www tcsae org Zhu Ziqiang Zhao Hongzhi Cai Yuanye et al Damage analysis of plastic film under hail impact J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 17 246 253 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 17 027 http www tcsae org 0 引 言 塑料薄膜因其高韌性 高透光性及耐腐蝕等優(yōu)勢成 為工業(yè) 農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域使用的主要材料 同時 由于塑料薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域不同 塑料薄膜的力學(xué)性能 物理性能和化學(xué)性能成為薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方向 1 4 針對塑料薄膜的力學(xué)性能 很多學(xué)者進行了分析 郭霞 等 5 對食品包裝塑料薄膜進行了力學(xué)性能測試 指出塑料 薄膜的力學(xué)性能是最基本的性能 是影響塑料薄膜發(fā)展 的必然方向 由于塑料薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣 對塑料 薄膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計不能滿足全部工況要求 進而衍生出多 種型號的塑料薄膜 郭風(fēng)等 6 采用落錘沖擊的試驗方法對 6種塑料薄膜進行了抗沖擊性能測試 結(jié)果表明增塑劑 穩(wěn)定劑 沖擊改性劑可以改善塑料的抗沖擊性能 農(nóng)用塑料薄膜在提高農(nóng)作物產(chǎn)量 有效利用國土資 源等方面有著重要的作用 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 塑料薄膜常常 受到自然災(zāi)害 臺風(fēng) 冰雹等 的影響 7 9 冰雹災(zāi)害不 僅會對于農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施會造成嚴(yán)重的破壞 還 會破壞土壤環(huán)境 所以薄膜的抗冰雹沖擊性能對于塑料 薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著重要的研究意義 冰雹沖擊試驗和 數(shù)值模擬方法在國內(nèi)外均有文獻報道 10 16 丁敏等 11 對 冰雹沖擊溫室玻璃進行了分析 給定了溫室玻璃的抗冰 收稿日期 2022 06 28 修訂日期 2022 08 08 基金項目 國家自然科學(xué)基金項目 11972007 作者簡介 朱自強 研究方向為沖擊動力學(xué)和多功能結(jié)構(gòu)一體化方面 Email zhuziqiang 通信作者 曲嘉 博士 副教授 研究方向為強度理論 固體實驗力學(xué)和 沖擊動力學(xué)方面 Email qujia 雹設(shè)計的主要目標(biāo) 張麗芬等 15 16 通過試驗和數(shù)值模擬 對冰球的力學(xué)性能進行了詳細(xì)分析 但由于塑料薄膜的 拉伸強度和延伸率的不確定性 17 對于冰雹沖擊塑料薄 膜的試驗和數(shù)值模擬鮮有文獻報道 為分析塑料薄膜的抗冰雹沖擊性能 通過萬能實驗 機 空氣炮試驗裝置和ABAQUS有限元分析軟件對冰雹 在不同尺寸 不同沖擊角度下的單次和二次沖擊以及薄 膜厚度和兩層薄膜之間的間距的影響進行了分析 旨在 通過分析塑料薄膜的破壞形式和損傷規(guī)律 得到塑料薄 膜在抗冰雹沖擊下的損傷機理和薄膜的設(shè)計方向 1 冰雹沖擊塑料薄膜試驗 1 1 試驗材料 塑料薄膜選用線性低密度聚乙烯 Linear Low Density Polyethylene LLDPE 薄膜 為減小試件的 邊界影響 試驗件標(biāo)定尺寸為300 mm 300 mm 厚度為 0 12 mm 參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM F320 16 18 同時為準(zhǔn)確得 到薄膜的撞擊位置和破壞面積 對薄膜進行尺寸標(biāo)注 標(biāo)注網(wǎng)格尺寸為20 mm 20 mm 如圖1所示 圖1 線性低密度聚乙烯薄膜尺寸標(biāo)注圖 Fig 1 Linear Low Density Polyethylene LLDPE film dimension drawing 第17期 朱自強等 冰雹沖擊下塑料薄膜的損傷分析 247 由于冰雹形狀和成型過程的不確定性難以實現(xiàn)重復(fù) 性試驗 參考GB T 27957 2011 冰雹等級 19 通過自 制模具制備直徑為50 mm的圓冰球以模擬大尺寸冰雹沖 擊塑料薄膜的情況 1 2 試驗設(shè)備及方法 沖擊試驗在空氣炮試驗裝置上進行 裝置示意圖如 圖2所示 通過空氣壓縮機將空氣壓縮進氣瓶 氣瓶中 的高壓氣體通過管道推動冰球托和冰球加速 最后在管 道口冰球托與冰球分離 對塑料薄膜完成冰球的沖擊加 載 此外為得到薄膜的變形形式 依靠高速攝像機 型 號 Memrecam ACS 3 幀率 3 000幀 s 對試驗過程 進行記錄 試驗前通過多次準(zhǔn)備試驗將冰球撞擊薄膜前的速度 控制在40 m s左右 共進行3組重復(fù)性試驗 試驗中的 初始速度和剩余速度均通過塑料薄膜前后的激光測速儀 取得 塑料薄膜的破壞面積由預(yù)先標(biāo)注的網(wǎng)格近似得到 通過冰球的速度變化可得到冰球的能量變化 E 1 2 m V12 V22 1 式中E為冰球損失的能量 J m是直徑為50 mm的冰球 質(zhì)量 g V1為初始速度 m s V2為剩余速度 m s 圖2 冰球沖擊塑料薄膜試驗裝置示意圖 Fig 2 Schematic diagram of test device for ice ball impacting plastic film 1 3 試驗結(jié)果與分析 由試驗得到的冰球速度 冰球能量和塑料薄膜的破 壞面積如表1所示 表1 冰球沖擊塑料薄膜試驗結(jié)果 Table 1 Test results of ice ball impact on plastic film 試驗序 號 Test No 初始速度 Initial velocity V1 m s 1 剩余速度 Residual velocity V2 m s 1 破壞面積 Damaged area mm2 冰球損耗的能量 The energy lost of ice ball J 1 39 904 39 377 1 648 3 1 257 9 2 40 813 40 343 1 727 4 1 148 4 3 42 088 41 687 2 063 5 1 011 4 為準(zhǔn)確得到塑料薄膜的破壞形式 通過高速相機記 錄薄膜迎彈面和背彈面的破壞形式 如圖3所示 通過 試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn) 薄膜在受到冰球沖擊時 薄膜整體 的拉伸波由接觸點向邊界處擴散 隨著冰球的運動 接觸部分率先發(fā)生塑性變形隨后達到薄膜破壞強度發(fā) 生破壞 根據(jù)網(wǎng)格標(biāo)注可發(fā)現(xiàn) 試驗的薄膜破壞面積 略大于冰球的橫截面積 同時破壞周圍也發(fā)生了塑性 變形且邊緣處產(chǎn)生些許裂紋 0 ms 7 5 ms 10 ms 12 5 ms 17 5 ms 22 5 ms a 塑料薄膜迎彈面的破壞形式 V1 39 904 m s 1 a Damage diagram of impact surface of plastic film V 1 39 904 m s 1 0 ms 7 5 ms 10 ms 12 5 ms 17 5 ms 22 5 ms b 塑料薄膜背彈面的破壞形式 V1 42 088 m s 1 b Diagram of the reverse side of plastic film impact V 1 42 088 m s 1 V 1 39 904 m s 1 V1 40 813 m s 1 V1 42 088 m s 1 c 塑料薄膜破壞圖 c Plastic film damage diagram 圖3 冰球沖擊下塑料薄膜的破壞過程 Fig 3 Damage process of plastic film under ice ball impact 2 數(shù)值模擬 部分工況在試驗中難以實現(xiàn) 為分析更復(fù)雜的工況 采用ABAQUS有限元分析軟件對上述試驗過程進行模擬 分析 對冰雹在不同尺寸 不同沖擊角度下的單次和二 次沖擊 以及薄膜厚度和兩層薄膜之間的間距影響進行 分析 2 1 材料參數(shù) 由于本文主要對薄膜的破壞進行分析且根據(jù)試驗結(jié) 果可發(fā)現(xiàn) 相比薄膜的強度 冰球可近似為剛體 因此 數(shù)值模擬部分僅賦予冰球密度 0 9 g cm3 以分析冰球的 能量變化 其中冰球密度為由試驗制備的冰球獲得 對 于LLDPE薄膜本文采用彈塑性本構(gòu)模型通過柔性損傷模 擬薄膜破壞情況 LLDPE的密度為1 38 g cm3 泊松比為 0 47 彈性模量為6 MPa 由于薄膜的力學(xué)性能受到薄膜 的尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響較大 即便同種型號的薄膜所 展現(xiàn)的力學(xué)性能均有一定的差異 故本研究中的泊松比 和彈性模量參考相關(guān)文獻 21 22 設(shè)定 在數(shù)值模擬過程中需要輸入薄膜塑性階段的的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 故將LLDPE薄膜剪裁為100 mm 20 mm 0 12 mm的試樣 通過萬能實驗機得到該材料的位移 載 荷曲線 通過式 2 及式 3 20 將位移 載荷曲線轉(zhuǎn)化 為應(yīng)力 應(yīng)變曲線 圖4 圖4 線性低密度聚乙烯薄膜的應(yīng)力 應(yīng)變曲線 Fig 4 The stress strain curve of LLDPE film 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2022年 248 1F lA L 2 ln 1 lL 3 式中 為應(yīng)力 MPa 為應(yīng)變 F為試驗載荷 N A 為薄膜的橫截面積 mm2 l為薄膜的位移 mm L為 薄膜長度 200 mm 2 2 有限元模型 為準(zhǔn)確模擬塑料薄膜的破壞過程 薄膜尺寸選用與試 驗相同尺寸為300 mm 300 mm 0 12 mm并設(shè)定薄膜四周 為固定約束 模型整體采用六面體網(wǎng)格進行劃分 為減少 計算時間薄膜網(wǎng)格尺寸為2 mm 2 mm 0 06 mm并且僅預(yù) 留冰球和薄膜距離為0 1 mm 冰雹速度和冰雹尺寸相關(guān) 尺寸越大冰雹速度越大 參考徐家騮等 23 對冰雹尺寸和速度的關(guān)系 確定不同尺 寸下的冰雹速度 本研究進行了4種不同尺寸的冰球沖 擊塑料薄膜的分析 其中冰球形狀為圓球形 直徑分別為 5 10 30和50 mm 對應(yīng)的速度為10 15 25和40 m s 冰雹災(zāi)害通常出現(xiàn)冰雹對塑料薄膜的多次沖擊 本研究對 上述的4種尺寸的圓冰球進行了二次沖擊模擬分析 同時 模擬冰球沖擊角度對塑料薄膜的影響時 采用橢球形冰球 和圓冰球進行分析 其中橢球形冰球質(zhì)量和D 30 mm的 圓冰球質(zhì)量相同 所以速度均為25 m s 沖擊角度為冰球 運動方向和薄膜表面法向方向的最小夾角 此外 自然界中的冰雹形狀多樣 除了規(guī)則的圓冰 雹還包括橢球或扁球形冰雹 24 本文在冰球體積相同的 情況下分析了橢球形冰球和不同沖擊角度對薄膜破損情 況的影響 橢球形的冰球沖擊分為兩種情況 一種是橢 球形冰球尖端沖擊塑料薄膜 設(shè)定為橢球1 另一種是 橢球形腹部先沖擊塑料薄膜 設(shè)定為橢球2 圓冰球沖 擊的有限元網(wǎng)格劃分如圖5所示 數(shù)值模擬的工況如表2 圖5 有限元網(wǎng)格劃分 Fig 5 Finite element mesh generation 表2 數(shù)值模擬的工況 Table 2 Conditions of numerical simulation 冰球形狀 Shape of the ice ball 冰球尺寸 Size of the ice ball D mm 入射角度 Incident angle 圓球Round ice ball 5 0 圓球Round ice ball 10 0 圓球Round ice ball 30 0 30 60 圓球Round ice ball 50 0 a 60 橢球Ellipsoidal ice ball b c 10 0 30 60 注 a b c分別為橢球形冰球的長軸和兩個短軸的長度 mm 橢球形冰球 尖端沖擊塑料薄膜定義為橢球1 橢球形腹部先沖擊塑料薄膜定義為橢球2 Note a b and c are the lengths of the major axis and the two minor axes of the ellipsoidal ice ball respectively mm The plastic film impacted by the ellipsoidal ice ball tip is defined as ellipsoid 1 The ellipsoidal abdomen first impacting plastic film is defined as ellipsoid 2 2 3 模型驗證及誤差分析 為驗證有限元模擬方法的可靠性 以冰球尺寸為 D 50 mm 初始速度為40 m s時數(shù)值模擬得到的破壞形 式與試驗得到的薄膜破壞形式進行對比 如圖6所示 由于試驗和數(shù)值模擬中冰球與薄膜的間距不同 取試驗 中2 5 ms時刻和數(shù)值模擬中的0時刻作為初始時刻 此 時的冰球與塑料薄膜的間距相差較小 故取試驗中12 5 17 5和22 5 ms三個時刻與數(shù)值模擬中10 15和20 ms 三個時刻的破壞形式進行對比 可以發(fā)現(xiàn) 在冰球尺寸 為50 mm沖擊時 薄膜與冰球接觸部分發(fā)生塑性變形 與試驗過程得到的破壞形式相似 圖6 數(shù)值模擬與試驗破壞形式對比 Fig 6 Damage form comparison of numerical simulation and experiment 在數(shù)值模擬中可根據(jù)兩種方式得到薄膜吸收的能 量 一種是通過冰球的動能損失 即計算冰球的速度變 化值 另一種是通過有限元軟件直接提取薄膜的能量變 化值 即提取薄膜總內(nèi)能的變化值 在冰球直徑為50 mm 時數(shù)值模擬得到的兩種能量值分別為1 287 1和1 26 J 兩者誤差僅為2 所以通過計算冰球的動能損失可代替 塑料薄膜的能量吸收結(jié)果 對試驗和數(shù)值模擬得到的速度變化和破壞面積進行 誤差分析 根據(jù)表1可知 在3次重復(fù)試驗下 薄膜吸 收能量的平均值為1 139 2 J 相同工況下數(shù)值模擬得到的 薄膜吸收的能量為1 287 1 J 二者誤差為11 造成誤 差主要來源于對薄膜的邊界條件和冰材料屬性的理想化 第17期 朱自強等 冰雹沖擊下塑料薄膜的損傷分析 249 分析 試驗得到的破壞面積的平均值為1 813 067 mm2 在數(shù)值模擬中 對薄膜的網(wǎng)格劃分中單元尺寸為2 mm 2 mm 根據(jù)破壞后的結(jié)果可得到破壞面積為 1 520 53 mm2 二者誤差為16 13 該誤差主要由于薄 膜材料延伸率的不確定性 相同工況下的薄膜變形量均 會產(chǎn)生一定的誤差 根據(jù)以上分析可驗證該方法可用于 模擬冰球沖擊薄膜過程 3 仿真結(jié)果與分析 3 1 冰雹尺寸的影響 為分析冰雹尺寸大小對塑料薄膜損傷情況的影響規(guī) 律 對4種不同冰雹尺寸進行數(shù)值模擬 其中冰球形狀 均為圓球形 沖擊角度為0 得到4種工況下的破壞過 程如圖7所示 圖7 不同尺寸的冰球沖擊塑料薄膜的破壞過程圖 0 Fig 7 Damage process diagram of plastic film impacted by ice ball with different sizes 0 由于冰球尺寸的減小 冰球能量變低 進而對薄膜 造成的損傷變小 根據(jù)圖中的應(yīng)力變化可發(fā)現(xiàn)當(dāng)冰球接 觸到薄膜時 由接觸點產(chǎn)生的拉伸波逐漸向邊界處靠近 形成波紋狀的應(yīng)力波 通過圖7a和圖7b可發(fā)現(xiàn) 當(dāng)薄膜 破壞后 薄膜內(nèi)部應(yīng)力得到釋放造成薄膜破壞處發(fā)生振 蕩并向邊界處傳遞 反觀圖7c和圖7d 雖然并未造成薄 膜出現(xiàn)大面積的損傷 但最先與冰球接觸的薄膜處發(fā)生 了塑性變形 由于未達到薄膜的破壞極限 并未發(fā)生大 幅度的振動和變形 冰球碰撞后的速度如圖8所示 其中10和5 mm由 于碰撞后發(fā)生了反彈 冰球能量完全被薄膜吸收故圖中 10 mm和5 mm冰球剩余速度為0 雖然50 和30 mm的冰球同樣造成薄膜的破壞但 30 mm的冰球在沖擊塑料薄膜時 薄膜吸收的能量更高 分析原因可能由于塑料薄膜存在應(yīng)變率效應(yīng) 在變形足 夠快時薄膜的變形階段變短 導(dǎo)致吸收的能量減少 圖8 不同尺寸的冰球剩余速度和薄膜吸收能量圖 Fig 8 Residual velocity and film absorbed energy diagram of ice balls with different sizes 3 2 冰雹二次沖擊的影響 冰雹災(zāi)害時塑料薄膜會受到大量的冰雹沖擊 為揭 示薄膜受到非單次沖擊時薄膜的破壞形式和能量吸收規(guī) 律 本研究中對薄膜受到冰球二次撞擊的工況進行了分 析 通過不同尺寸下的圓冰球?qū)Ρ∧さ亩螞_擊進行分 析 薄膜的應(yīng)力及破壞形式如圖9所示 圖9 不同尺寸冰球二次沖擊塑料薄膜的破壞過程圖 Fig 9 Damage process diagram of secondary impact on plastic film by ice ball with different sizes 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2022年 250 與單次沖擊相同 50和30 mm的冰球均造成薄膜的 破壞 但前者在冰球的第二次沖擊時形成了與第一次沖 擊時薄膜破壞區(qū)域相連接部分的損傷 使得整體的破壞 面積變大 薄膜吸收的能量如圖10所示 由于10和5 mm 冰球均未造成薄膜的破壞 故吸收的能量只計算速度到0 時薄膜的能量吸收 不考慮冰球反彈后的沖擊問題 圖10 不同尺寸的冰球兩次碰撞薄膜吸收能量圖 Fig 10 Film absorbed energy diagram of two collisions of ice balls with different sizes 根據(jù)兩次冰球的能量吸收可發(fā)現(xiàn) 除30 mm冰球外 其他尺寸下均為第一次時薄膜的能量吸收較高 雖然 50 mm的冰球第二沖擊時造成的破壞面積更大 但由于 第一次沖擊時破壞邊緣處薄膜已經(jīng)出現(xiàn)了部分裂紋 所 以第二次沖擊時薄膜吸收的能量較小 但30 mm的冰球 首次沖擊時邊緣處的薄膜還在塑性變形階段 在第二次 沖擊時薄膜邊緣處的變形增大 但未達到破壞強度 導(dǎo) 致30 mm冰球第二次沖擊時吸收的能量較高 二次沖擊 時造成應(yīng)力波的疊加 導(dǎo)致薄膜的加速破壞 在對類似 于冰球沖擊工況的薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計上 應(yīng)主要考慮提高薄 膜的抗拉強度 3 3 冰雹沖擊角度的影響 為分析不同形狀的冰雹在不同沖擊角度下對薄膜的 損傷影響 通過模擬圓球形 橢球1和橢球2在沖擊角 度為0 30 和60 的工況對破壞形式和冰球的剩余速度 進行分析 得到應(yīng)力及破壞形式并截取中間部分 如圖 11所示 3 種冰球隨著沖擊角度的增大對薄膜造成的破壞面 積均大于垂直入射造成的破壞面積 對比圖11b中3種 角度對薄膜造成的破壞可發(fā)現(xiàn) 在沖擊角度為60 時薄膜 出現(xiàn)了撕裂的破壞形式 破壞長度遠(yuǎn)大于橢球1的橫截 面積 圖11c中沖擊角度為30 時雖出現(xiàn)了橫向的撕裂破 壞 但整體的破壞方式還是沿著冰球的運動方向 根據(jù) 圖中的應(yīng)力及破壞形式可發(fā)現(xiàn) 冰球的形狀和沖擊角度 對于薄膜的損傷程度有著重要的影響 冰球的剩余速度如圖12所示 對比3種冰球的剩余 速度可發(fā)現(xiàn) 隨著冰球的沖擊角度的增大 冰球的剩余 速度逐漸減小 雖冰球造成的破壞面積較大但剩余能量 的減小有益于保護農(nóng)用大棚內(nèi)的農(nóng)作物 此外 在對類 似于冰球沖擊工況的薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計上 可對薄膜受沖擊 的角度進行進一步設(shè)計分析 圖11 不同沖擊角度的冰球在21 ms時沖擊塑料薄膜的破壞形式 Fig 11 Damage forms of ice ball impacting plastic film at 21 ms with different impact angles 圖12 不同沖擊角度下的冰球的剩余速度 Fig 12 Residual velocity of ice ball under different impact angles 4 多層薄膜和等厚薄膜的抗冰雹沖擊效果對比 塑料薄膜在受到冰球沖擊時會發(fā)生大幅度變形 當(dāng) 約束塑料薄膜的變形時 可能會減小塑料薄膜的破壞面 積 提高薄膜的抗沖擊能力 但約束薄膜變形量 即薄 膜間的距離 的大小是重要的影響因素之一 依據(jù)以上 分析 采用冰球形狀為橢球形 橢球1 沖擊角度為60 且沖擊速度為10 m s的載荷條件 進行了兩層薄膜間距h 分別為0 5 10 20 30 mm的模擬 單層薄膜厚度t 為0 12 mm 此外為對比間距為0時的雙層薄膜與厚度 為0 24 mm的單層薄膜之間的抗沖擊能力 采用冰球形 狀為橢球形 橢球1 沖擊角度為60 且沖擊速度為10 m s 的載荷條件 進行了厚度為0 24 mm的單層薄膜的模擬 得到應(yīng)力及破壞形式如圖13所示 第17期 朱自強等 冰雹沖擊下塑料薄膜的損傷分析 251 由圖13可發(fā)現(xiàn) 在所有結(jié)果中第二層薄膜均未發(fā)生 破壞 但第一層薄膜的破壞面積隨著間距的增大而增大 此外 對比圖13a和圖13f 即使薄膜總厚度相同 但兩 層薄膜并未發(fā)生破壞 根據(jù)圖13a和圖13f中的切面圖可 發(fā)現(xiàn) 兩層薄膜在受到冰球沖擊時上下薄膜發(fā)生分離 由于兩層薄膜之間的變形量不同 上下兩層薄膜相互作 用達到對冰球能量吸收的作用 而單層薄膜由于變形的 連續(xù)僅通過薄膜自身的變形對能量的吸收 此外對于間 距較小的情況 間距為0 5 mm 薄膜均未發(fā)生破壞 注 h為雙層薄膜間的距離 mm t為單層薄膜厚度 mm 切面圖為紅色虛 線的上半部分 圖中紅色圓圈內(nèi)為薄膜發(fā)生破壞的位置 Note h is the distance between the double layer films and t is the thickness of the single layer films The section shows the top half of the dashed red line The red circle in the figure shows the position where the film is damaged 圖13 不同間隔的雙層薄膜和單層薄膜的應(yīng)力及破壞形式 Fig 13 Deformation diagram of bilayer and monolayer films at different intervals 根據(jù)以上分析可知 在不改變薄膜材料和薄膜厚度 的情況下 增加薄膜層數(shù)達到對農(nóng)作物的防護 但鋪設(shè) 多層薄膜時 兩層之間的間距要小于5 mm 5 結(jié) 論 本文采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對冰球沖擊 下低密度聚乙烯薄膜的損傷情況進行了分析 得到以下 結(jié)論 1 通過試驗驗證了數(shù)值模擬方法可實現(xiàn)對薄膜在冰 球沖擊下的損傷分析 為分析薄膜的抗冰雹沖擊性能提 供參考方法 2 0 12 mm厚度的塑料薄膜可抵擋直徑10 mm以下 的冰雹沖擊 但冰雹尺寸在30 mm以上時 塑料薄膜因拉 伸應(yīng)力波的作用導(dǎo)致薄膜發(fā)生破壞 同時根據(jù)冰球二次沖 擊塑料薄膜的研究結(jié)果表明 二次沖擊會造成應(yīng)力波的疊 加 導(dǎo)致薄膜的加速破壞 在對類似于冰球沖擊工況的薄 膜結(jié)構(gòu)設(shè)計上 應(yīng)主要考慮提高薄膜的抗拉強度 3 冰球沖擊角度越大造成薄膜的破壞面積越大 目 前研究的3種沖擊角度下 冰球沖擊角度為60 時造成薄 膜破壞面積最大 薄膜吸收的能量最高 針對薄膜使用 壞境 可對薄膜受沖擊的角度進行進一步的設(shè)計分析 4 雙層薄膜的破壞面積隨薄膜之間間距的增大而增 大 當(dāng)雙層薄膜的間距控制在5 mm內(nèi)可實現(xiàn)雙層薄膜抗 冰雹沖擊效果優(yōu)于厚度相同下的單層薄膜 塑料薄膜材料的抗拉強度 延伸率和破壞形式等受 薄膜尺寸的影響較大 即便同型號的薄膜在重復(fù)性試驗 時所展現(xiàn)的力學(xué)性能均有一定程度上的差異 本文中通 過試驗驗證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性 但在一般工程條 件下薄膜的損傷和數(shù)值模擬方法值得進一步探討 參 考 文 獻 1 宋美麗 谷宇 聚乙烯薄膜的性能及應(yīng)用綜述 J 合成材 料老化與應(yīng)用 2018 47 3 115 118 124 Song Meili Gu Yu Brief introduction of properties and applications of polyethylene film J Synthetic Materials Aging and Application 2018 47 3 115 118 124 in Chinese with English abstract 2 郝文靜 周偉芳 塑料薄膜拉伸力學(xué)性能檢測能力現(xiàn)狀與 分析 J 塑料包裝 2017 27 6 55 57 Hao Wenjing Zhou Weifang Current situation and analysis of laboratory s tensile and mechanical property testing capability of plastic films J Plastics Packaging 2017 27 6 55 57 in Chinese with English abstract 3 宋維舉 薄膜結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的動力響應(yīng)研究 D 重慶 重慶大學(xué) 2011 Song Weiju Study on Dynamic Response of Orthotropic Membranes Under Impact Loading D Chongqing Chongqing University 2011 in Chinese with English abstract 4 汪曉鵬 農(nóng)用多功能聚乙烯棚膜的研究 J 上海塑料 2015 2 46 49 Wang Xiaopeng Research on muti functional polyethylene greenhouse film for agriculture J Shanghai Plactics 2015 2 46 49 in Chinese with English abstract 5 郭霞 遲海 劉偉麗 等 食品包裝塑料薄膜的機械性能 及檢測方法研究 J 食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報 2016 7 11 4382 4386 Guo Xia Chi Hai Liu Weili et al Mechanical properties and 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2022年 252 test methods of food packaging plastic film J Journal of Food Safety and Quality 2016 7 11 4382 4386 in Chinese with English abstract 6 郭風(fēng) 徐麗美 李麗 對六種塑料薄膜抗沖擊性能的探討 J 塑料工業(yè) 2017 45 9 92 95 Guo Feng Xu Limei Li Li Discussion of the impact resistance of six plastic films J China Plastics Industry 2017 45 9 92 95 in Chinese with English abstract 7 鄭永光 宋敏敏 冷渦影響中國對流性大風(fēng)與冰雹的分布 特征 J 熱帶氣象學(xué)報 2021 37 5 6 710 720 Zheng Yongguang Song Minmin Analysis of influence of cold vortexes on distribution of convective high winds and hail in China J Journal of Tropical Meteorology 2021 37 5 6 710 720 in Chinese with English abstract 8 李娜 劉煥軍 黃文江 等 基于 HJ 1A 1B CCD 數(shù)據(jù)的 雹災(zāi)監(jiān)測與評價 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2011 27 5 237 243 Li Na Liu Huanjun Huang Wenjiang et al Hail monitoring and evaluation by remote sensing based on HJ 1A 1B CCD J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2011 27 5 237 243 in Chinese with English abstract 9 陳晶 黑龍江省氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃與災(zāi)害評估研究 D 蘭州 蘭州大學(xué) 2016 Chen Jing Risk Zoning and Disaster Evaluation of Meteorological Disasters in Heilongjiang Province D Lanzhou Lanzhou University 2016 in Chinese with English abstract 10 周超 基于ANSYS 的冰雹災(zāi)害風(fēng)險評估與模擬方法 研究 D 天津 南開大學(xué) 2011 Zhou Chao Study on the Method of Hailstone Disaster Risk Assessment and Simulation Based on ANSYS D Tianjin Nankai University 2011 in Chinese with English abstract 11 丁敏 施旭棟 周蕊 等 冰雹沖擊下溫室玻璃破損情景 數(shù)值模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2012 28 1 202 207 Ding Min Shi Xudong Zhou Rui et al Numerical simulation on damage behavior of greenhouse glass under hail impact J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2012 28 1 202 207 in Chinese with English abstract 12 Saini D Shafei B Prediction of extent of damage to metal roof panels under hail impact J Engineering Structures 2019 187 362 371 13 Shimek E Ekwaro Osire S Rasty J Probabilistic analysis of steel roof damage from hail strike C ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2011 54952 503 510 14 莫袁鳴 趙振華 羅剛 等 復(fù)合材料層合板冰雹沖擊損 傷研究 J 重慶理工大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué) 2020 34 3 112 121 Mo Yuanming Zhao Zhenhua Luo Gang et al Investigation on damage of composite laminates subject to hail impact J Journal of Chongqing University of Technology Natural Science 2020 34 3 112 121 in Chinese with English abstract 15 張麗芬 葛鑫 劉振俠 人工制備冰雹的力學(xué)性能試驗研 究 J 航空學(xué)報 2021 42 2 174 183 Zhang Lifen Ge Xin Liu Zhenxia Experimental study on mechanical properties of artificial hail J Acta Aeronautica et Astronautica Sinica 2021 42 2 174 183 in Chinese with English abstract 16 鞠殿偉 冰沖擊力學(xué)行為的實驗研究與數(shù)值計算 D 哈 爾濱 哈爾濱工程大學(xué) 2020 Ju Dianwei Experiments and Simulations of Ice Mechanics Property and Impacting Behavior D Harbin Harbin Engineering University 2020 in Chinese with English abstract 17 賴桂珍 鐘繼志 陳露芬 等 塑料薄膜拉伸強度不確定 度評定 J 廣東化工 2018 45 9 220 221 Lai Guizhen Zhong Jiwei Chen Lufen et al Evaluation of the uncertainty in plastic film tensile strength J Guangdong Chemical Industry 2018 45 9 220 221 in Chinese with English abstract 18 US ASTM Standard Test Method for Hail Impact Resistance of Aerospace Transparent Enclosures ASTM F320 16 S ASTM International West Conshohocken PA 19 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 冰雹等級 GB T 27957 2011 S 2011 20 秦世倫 石秋英 徐雙武 等 材料力學(xué) M 四川 四川 大學(xué)出版社 2011 21 楊偉 單桂芳 唐雪剛 等 LLDPE吹塑薄膜的結(jié)構(gòu) 與性能 J 高分子材料科學(xué)與工程 2006 22 4 114 117 Yang Wei Shan Guifang Tang Xuegang et al Structures and properties of blown mol