集裝箱塑料底板材料性能測試

劉峻，高建和

（1.江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225101;2.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

0 引言

集裝箱底板作為集裝箱的主要承載配件，除了有極高的強(qiáng)度、剛度和較好的耐久性外，還需要進(jìn)行特殊的化學(xué)防蟲處理，是迄今為止結(jié)構(gòu)用人造板產(chǎn)品中技術(shù)性能要求最高的一種。熱帶硬木一直被認(rèn)為是制造集裝箱底板最合適的木材，因?yàn)檫@些木材具有比較理想的材性，而集裝箱底板所用木材主要集中在東南亞各國。隨著集裝箱生產(chǎn)需求量的增大，熱帶雨林的過度采伐，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞、木材底板價格暴漲，而且木材生長周期長，所以世界造箱業(yè)迫切尋求能夠替代傳統(tǒng)熱帶硬木底板的新型材料。

為某集裝箱部件公司所研發(fā)的新型塑料底板材料，其結(jié)構(gòu)包括三層，中間層為再生塑料，外面兩層為另一種塑料材料壓制而成。要正確使用塑料底板材料就要首先測定其力學(xué)性能，以便進(jìn)行有限元分析及材料性能優(yōu)化。

1 彈性模量測試方法

彈性模量是工程材料中一個重要的物理參數(shù)，表示材料抵抗彈性形變的能力。材料彈性模量常用測試方法主要有兩類:靜態(tài)測量法和動態(tài)測量法［1］。

靜態(tài)測量法是從應(yīng)力－應(yīng)變或載荷－位移曲線確定彈性模量。此類測量方法優(yōu)點(diǎn)是測量精確，而缺點(diǎn)是測量時間相對較長，過程較繁瑣，對試樣具有破壞性。此外，在靜態(tài)法測量中，還要根據(jù)試樣不同長度，選擇適宜的測量方式，才能獲得較為準(zhǔn)確的彈性模量值。

動態(tài)測量法是在試件承受交變應(yīng)力產(chǎn)生小應(yīng)變時，利用試件的固有頻率與幾何尺寸、密度、彈性模量之間的關(guān)系間接測量彈性模量。按照振動激勵方式不同，動態(tài)測量法又分為共振法和聲速法。共振法是國內(nèi)規(guī)定的楊氏模量和切變模量的動力學(xué)方法，如橫向振動法、縱向振動法等。此類測試方法存在共振頻率尋找困難，對實(shí)驗(yàn)人員主觀判斷能力依賴程度高、測量精度低等缺點(diǎn)［2-3］。

聲速法通過測量彈性波在試樣中的傳播速度，測得材料動態(tài)彈性模量。聲速法相對成素，常用的有脈沖回波法、干涉法和相位比較法。其中，超聲脈沖回波法的基本被測量為時間和長度，與測量力和頻率相比，被測量簡單、測量方法成熟、精度高，并且無破壞性、無需改變試樣大小或振動頻率等特點(diǎn)，能有效避免靜態(tài)法的缺點(diǎn)［4］。在國外，聲速法已逐漸成為鋼、炭纖維、有機(jī)纖維及單向復(fù)合材料彈性模量檢測主要方法和發(fā)展方向［5-8］。

2 塑料底板彈性模量測試

常用靜態(tài)測試法有靜力拉伸法和梁彎曲法，梁彎曲法中有懸臂梁法、三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲法等。在對底板材料進(jìn)行彈性模量測試時，因?yàn)榈装宄惺茌d荷主要為彎曲載荷，為了盡量近似的模擬底板支架真實(shí)承載情況，主要進(jìn)行底板材料彎曲狀態(tài)下的彈性模量測試。

2.1 彈性模量測試原理

材料在彈性變形階段，其應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，符合虎克定律。材料縱向應(yīng)力與縱向應(yīng)變的比例常數(shù)為彈性模量，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比即為泊松比。

在進(jìn)行底板塑料材料彎曲狀態(tài)下的彈性模量測試時，將底板材料試樣自由地放置在2個平行的硬質(zhì)合金圓棒支點(diǎn)上，在兩支撐中點(diǎn)用壓頭施加載荷使其彎曲變形（即三點(diǎn)彎曲狀態(tài)，如圖1所示），測出底板試樣中部的變形量及載荷數(shù)值，利用材料力學(xué)知識，計算出材料彎曲狀態(tài)下的彈性模量。

圖1 底板材料彈性模量測試

2.2 彈性模量計算

將塑料底板試樣放置在壓力試驗(yàn)機(jī)上，通過控制進(jìn)油量對試樣進(jìn)行逐級加載，分別測出各級載荷下試樣中間的變形量δi，并記下各級載荷Fi。依據(jù)試樣截面尺寸（寬度b、高度h、支撐跨距l(xiāng)）及兩個測試數(shù)值 δi和Fi，則可計算出材料彎曲狀態(tài)下的彈性模量。

根據(jù)材料力學(xué)可知:橫梁在兩點(diǎn)支撐，中間承受集中載荷作用下，試樣中間的變形及應(yīng)力最大，計算材料彈性模量時取試樣中間為計算對象。試樣中點(diǎn)變形量δ與集中載荷F之間的關(guān)系為:

其中:Iz——試樣橫截面對z軸的慣性矩，Iz=bh3/12;

l——支點(diǎn)跨距，l=260 mm;

b——試樣寬度，b=50 mm;

h——試樣高度，h=28 mm。

通過逐級加載F1，F(xiàn)2…Fn，可測得對應(yīng)的 δ1，δ2…δn，利用以上公式可計算出一組彈性模量Ei，取其平均值，即得到材料的彈性模量E。

2.3 最大應(yīng)力計算

試樣在彈性變形范圍內(nèi)，對其進(jìn)行逐級加載可測得彈性模量，在壓力機(jī)上繼續(xù)加載，試樣發(fā)生塑性變形直至斷裂破壞，記錄下對應(yīng)的載荷大小，依據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識，即可求出塑料底板所能承受的最大應(yīng)力。

其中:Mmax——試樣所受最大彎矩;

Wz——試樣的抗彎截面模量，矩形截面Wz=bh2/6。

3 彈性模量測試結(jié)果

3.1 塑料底板測試數(shù)據(jù)

本次測試采用塑料底板材料試樣寬度b=50 mm，高度h=28 mm，支撐跨距l(xiāng)=260 mm，分別在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測試。測得應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 塑料試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 塑料底板試樣彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)塑料地板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)作出的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，在材料的彈性階段，根據(jù)最小二乘法得出試樣的彈性模量為 1.23 GPa。

3.2 材料承受最大彎曲應(yīng)力測試

進(jìn)行完材料的彈性模量測試之后，取下百分表，繼續(xù)加載，直到塑料地板斷裂為止，讀出試樣斷裂時試驗(yàn)機(jī)上的載荷數(shù)值Fmax，并據(jù)此計算出試樣斷裂破壞時的最大彎曲正應(yīng)力。

對試樣進(jìn)行加載直至試樣斷裂破壞，測得塑料底板材料試驗(yàn)的最大載荷數(shù)值如表2所示。

表2 塑料底板最大彎曲應(yīng)力

4 結(jié)語

根據(jù)集裝箱底板的實(shí)際使用情況采用三點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行測試，制定測試方案。通過測試獲得了塑料底板的彈性模量及極限斷裂應(yīng)力等參數(shù)，為靜態(tài)分析提供了性能參數(shù)。

［1］呂紅明，余卓平，李鵬飛，等.聲頻法測定材料彈性模量的研究［J］.工程塑料應(yīng)用，2010（10）:58-61.

［2］顧利忠，蘇菲，趙靚，等.用瞬態(tài)激振法測量微機(jī)械材料的彈性模量［J］.清華大學(xué)學(xué)報.2001，41（9）:126-128.

［3］劉燦，楊效杰.用CCD圖像傳感器測量央視彈性模量的研究［J］.無損檢測，2005，27（7）:368-370.

［4］王斌，賈寅峰，周玉璽，等.有機(jī)纖維束紗彈性模量測試分析［J］.固體火箭技術(shù)，2007，30（2）:68-70.

［5］Hine P J，Ward I M.Measuring the elastic properties of highmodulus fibers［J］.Journal of Materials Science.1996，31（2）:371-379.

［6］Biwa S，Shibata T.Elastic and ultrasonic properties of a unidirectional composite with partially debonded fibers:numerical analysis for longitudinal shear modes［J］.Composites Science and Technology.2000，60（1）:83-93.

［7］ Wolfenden A，Schwanz W R.Evaluation of three methods to measure the dynamic elastic modulus of steel［J］.Journal of Testing＆ Evaluation.1995，23（3）:176-179.

［8］Mente P L，Lewis J L.Experimental method for the measurement of the elastic modulus of trabecular bone tissue［J］.Journal of Orthopedic Research.1989，7（3）:456-461.