畢業(yè)論文--蜂窩紙板的緩沖性能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、<p>　　蜂窩紙板的緩沖性能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　Cushioning Property Analysis and Structure Design of Honeycomb Paperboard</p><p>　　Abstract: Honeycomb paperboard is a new kind of packaging material which i

2、s of favorable appliance foreground. The paper compares the honeycomb paperboard with other cushioning materials often used in the cushioning packaging design according to the basic structural characters and vibration is

3、olation principle of honeycomb paperboard, getting the vibration isolation and cushioning characters of honeycomb paperboard. By compression tests, the curves of relations between stress and strain are obta</p>&l

4、t;p>　　Key Words: Honeycomb paperboard Cushioning property Stress-strain curves Mechanics model</p><p>　　內(nèi)容摘要：蜂窩紙板是一種新型的包裝材料，有著良好的應用前景。本文根據(jù)蜂窩紙板的基本結(jié)構(gòu)特征和隔振緩沖的原理，將蜂窩紙板與其他常用的隔振緩沖材料進行了比較，得到了蜂窩紙板的隔振緩沖特點。通

5、過壓縮實驗，獲得了蜂窩紙板的應力與應變之間關(guān)系的曲線，實驗結(jié)果表明蜂窩紙板在壓縮過程中，會出現(xiàn)明顯的彈性變形、彈塑性變形、塑性坍塌和密實化四個階段。蜂窩紙板在彈性變形階段具有隔振功能，在彈塑性變形和塑性坍塌階段具有緩沖功能。通過改變蜂窩紙板實驗的壓縮速度，測量了不同變形速率下的應力與應變之間關(guān)系的曲線，分析了壓縮變形速率對蜂窩紙板緩沖性能的影響?；趯嶒灁?shù)據(jù)建立了蜂窩紙板的本構(gòu)關(guān)系的動態(tài)模型，進行了蜂窩紙板的動態(tài)模型的參數(shù)識別。參數(shù)表明

6、動態(tài)模型同實驗數(shù)據(jù)的吻合程度良好，使實驗測量的數(shù)據(jù)具有普遍意義；同時，根據(jù)蜂窩紙板的性能特點和實驗結(jié)果，提出了蜂窩紙板包裝結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計方法，這對隔振緩沖包裝設(shè)計具有參考價值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：蜂窩紙板；緩沖性能；應力—應變曲線；力學模型</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 蜂窩紙板的現(xiàn)狀與發(fā)

7、展趨勢</p><p>　　蜂窩紙板至今已有近70年的發(fā)展歷史，最早用在軍事上。例如，在第二次世界大戰(zhàn)時，用作降落傘空投的落下工具，主要起緩沖作用，使降落的空運貨物在落地時盡量少受損傷；進而，到了20世紀五、六十年代，發(fā)達國家將蜂窩紙板應用于建材、包裝等領(lǐng)域[1]。在我國，航天工業(yè)部門首先引進蜂窩技術(shù)制造航天和航空材料，并逐步民用領(lǐng)域推廣，經(jīng)過長期反復的研制，在80年代初取得成功。實踐證明，蜂窩技術(shù)是一項具有很高

8、實用價值的科學技術(shù)[2]。</p><p>　　上世紀末以來，為保護環(huán)境和防止植物害蟲的擴散傳播，美國、加拿大、英國等先進國家先后頒布法令，禁令木質(zhì)包裝材料入境，這限制了我國貨物的出口。1999年6月，歐盟15國實行緊急措施，防止中國產(chǎn)品木質(zhì)包裝中攜帶的蟲害在歐盟擴散。實際限制木質(zhì)包裝禁令導致我國外貿(mào)出口在1998年10月就開始下降，解決木質(zhì)包裝問題已迫在眉睫。當時，我國對美國出口的貨物約有一半采用木質(zhì)包裝，如果

9、采用熏蒸辦法，其費用十分昂貴。因此，我國不得不考慮盡快開發(fā)出適合我國國情和出口需要的新型包裝材料，加速推出代木包裝材料，而蜂窩紙板是理想材料，成為推廣應用的熱點[3]。</p><p>　　蜂窩紙板作為一種新型的節(jié)約資源、保護生態(tài)環(huán)境、成本低廉的包裝材料，具有輕、強、剛、穩(wěn)四大優(yōu)點，體現(xiàn)了全新的包裝理念。蜂窩紙板在包裝領(lǐng)域有著良好的發(fā)展和應用前景。在國際上，上世紀60年代就已開始研制蜂窩紙板生產(chǎn)技術(shù)。目前，我國也

10、已有大批量連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備，蜂窩紙板企業(yè)發(fā)展有數(shù)百家，形成了具有一定生產(chǎn)能力的包括原輔材料、生產(chǎn)設(shè)備及蜂窩紙板、托盤、包裝箱襯墊隔板等產(chǎn)業(yè)相互配套的一代新興行業(yè)，已經(jīng)形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模[4]。</p><p>　　1.2 蜂窩紙板在運輸包裝中的應用</p><p>　　蜂窩紙板的大量應用在包裝、建筑、儲運等領(lǐng)域，另外在家具、裝飾、廣告、殯葬、農(nóng)業(yè)中也有一定的應用[5]。目前，我國

11、的蜂窩紙板主要用于運輸包裝，尤其是用于家電行業(yè)的出口包裝。</p><p>　　蜂窩紙板在運輸包裝中的應用主要有四方面：</p><p><b>　?。?）托盤</b></p><p>　　由于蜂窩紙板有較高的平面抗壓強度，所以蜂窩紙板可以用于托盤的上下鋪板，也可以用作托盤的縱梁或墊塊，這就要按縱梁或墊塊的標準尺寸由幾層較厚的蜂窩紙板組合加工而

12、成。由于蜂窩托盤腳是由蜂窩紙板粘貼而成的，腳的承載面積要比托盤的面積小的多，所以降低了蜂窩托盤的承載能力。為了提高蜂窩托盤的承載能力，可在蜂窩紙芯中浸漬樹脂或采用木塊與母板通過螺栓聯(lián)結(jié)。蜂窩紙板托盤與木制托盤相比，重量輕，也有較高的強度。目前，我國在港口、碼頭、倉庫等所使用的托盤多為木材制品，年需求量很大。若能夠使用蜂窩紙板托盤，每年可以節(jié)約百分之九十的木材，而且使用這種蜂窩紙板托盤，可以降低運輸搬運費用，并可以回收再利用[6]。<

13、;/p><p><b>　?。?）緩沖襯墊</b></p><p>　　緩沖襯墊作為內(nèi)裝貨物和包裝箱的中間介質(zhì)，主要作用是吸收沖擊能量，延長內(nèi)裝貨物承受沖擊脈沖的作用時間。蜂窩紙板的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)使其緩沖性能優(yōu)于瓦楞紙板，可采用全面緩沖或局部緩沖的形式來保護內(nèi)裝貨物。用蜂窩紙板制成的緩沖襯墊具有較強的緩沖性能，用于倉儲和運輸工具中的堆積貨物之間，可以承受每立方米20噸的重量

14、。用蜂窩紙板制成的緩沖墊可以代替常用的聚苯乙烯泡沫塑料緩沖墊，從而有利于保護環(huán)境、防止污染。蜂窩紙板作為緩沖襯墊的主要形式有：單面蜂窩紙板、沖壓和沖孔。單面蜂窩紙板只在一面粘貼面紙，另一面無面紙。作為緩沖襯墊時有面紙的一面與外包裝內(nèi)壁粘合，無面紙面與產(chǎn)品接觸。這種形式主要用作貴重的玻璃、陶瓷等產(chǎn)品的包裝；沖壓是將蜂窩紙板按產(chǎn)品的外形沖壓后，將產(chǎn)品放入沖壓槽內(nèi)的緩沖包裝形式；沖孔是將蜂窩紙板按產(chǎn)品的外形，用模具沖出孔洞，而后與蜂窩底板粘合

15、，其底部沒有受壓，所以緩沖性能優(yōu)于沖壓性能。</p><p><b>　　（3）包裝箱</b></p><p>　　蜂窩紙板同瓦楞紙板一樣可加工成紙箱，一般只能用較薄的蜂窩紙板來做紙箱。用蜂窩紙板制成包裝箱，是易碎、怕振、怕壓物品的理想包裝，特別對玻璃、陶瓷制品的包裝具有明顯的效果[7]。由于蜂窩紙板的剛度、厚度大，所以蜂窩紙箱從成型形式上來看主要有粘貼成型、折疊成型

16、、鉚接成型、插入成型。粘貼成型是由多塊蜂窩紙板面邊粘貼成型后，在棱邊內(nèi)外粘貼牛皮紙固定而成型的，這種蜂窩紙箱主要是手工成型，粘合強度不高，易脫底，適合于電子儀表等較輕的產(chǎn)品包裝；折疊成型是蜂窩紙板經(jīng)裁切、壓痕、施膠、折疊、干燥成型為箱體，箱底和箱蓋由膠帶縫合而成蜂窩紙箱的成型方式，這種紙箱棱邊的粘合面積大、強度高，適合重量大的產(chǎn)品包裝；鉚接成型是使用角鐵在蜂窩紙板棱結(jié)合處、或鐵皮在接縫處通過螺栓將蜂窩紙板連接成型的一種成型方式，該種紙箱

17、具有極強的抗壓強度，適用于大型出口設(shè)備的包裝；插入成型是將蜂窩紙箱相連的面分別裁切成榫頭和榫孔后，膠合而成；與瓦楞紙復合型，若以瓦楞紙箱作為箱體，箱內(nèi)上下四壁用蜂窩紙板做襯墊，可以提高包裝箱的防震、抗壓、保濕、抗戳穿能力和承載能力。</p><p>　?。?）角撐、護棱等附件</p><p>　　蜂窩紙板作為局部緩沖包裝的角撐、護棱、隔襯、夾襯和擋板的作用與緩沖襯墊類似，只是作用部位不同而

18、已。角撐和護棱用在單元包裝之間，可以保護單元包裝外楞不受損壞。同時可防止單元與單元之間、單元與運輸工具之間的碰撞與摩擦損壞。而隔襯、夾襯和擋板主要是防止運輸工具或托盤對產(chǎn)品集合單元的損壞[8]。</p><p>　　1.3 本文的主要工作</p><p>　　在產(chǎn)品的裝卸、運輸、存儲過程中，產(chǎn)品受到振動和沖擊載荷的作用具有相當?shù)钠毡樾?，因包裝不善所造成的經(jīng)濟損失也很嚴重，隔振緩沖是現(xiàn)代運輸

19、包裝領(lǐng)域所必需解決的一個重要問題。</p><p>　　目前，常用泡沫塑料、蜂窩紙板和紙漿模塑等作為隔振緩沖的包裝材料使用，性能較好的泡沫塑料材料受到綠色環(huán)保的限制，使用的范圍有逐漸縮小的趨勢，而我們對蜂窩紙板和紙漿模塑材料的力學特性了解甚少，有必要研究蜂窩紙板和紙漿模塑材料的隔振緩沖效果。因此，我們選取蜂窩紙板產(chǎn)品作為隔振緩沖包裝的研究對象，分析其在裝卸和運輸過程中的流通環(huán)境和隔振緩沖要求，研究蜂窩紙板的應力-

20、應變曲線受壓縮速度的影響，提出建立蜂窩紙板的力學模型，認識蜂窩紙板材料的應力-應變曲線離散分布，進而，通過現(xiàn)有蜂窩紙板材料的測量，研究蜂窩紙板材料作為隔振緩沖材料使用的最佳紙板厚度和蜂窩結(jié)構(gòu)，預測材料的隔振緩沖性能。通過實驗獲得必要的測試數(shù)據(jù)，為今后的產(chǎn)品的運輸包裝設(shè)計提供必要的數(shù)據(jù)，利于正確地設(shè)計產(chǎn)品的運輸包裝結(jié)構(gòu)，減少包裝材料的利用量，從而達到降低成本和保護環(huán)境的目的。這對隔振緩沖包裝的設(shè)計和工程實用具有現(xiàn)實的意義，這也是隔振緩沖包

21、裝設(shè)計和運輸包裝領(lǐng)域的重要研究所在。</p><p><b>　　本文的主要工作：</b></p><p>　　（1）查閱相關(guān)課題研究文獻和各項實驗標準，總結(jié)蜂窩紙板緩沖性能的研究方法。設(shè)計本課題需要的實驗內(nèi)容，準備實驗設(shè)備及試樣，為實驗工作做好準備。</p><p>　　（2）制取蜂窩紙板測試實驗的試樣，分別對其進行不同速度下的動靜態(tài)壓縮實驗

22、，獲得有效的實驗數(shù)據(jù)；分析和整理實驗結(jié)果，研究壓縮變形速度對蜂窩紙板性能的影響，得出蜂窩紙板的隔振緩沖性能。</p><p>　?。?）建立蜂窩紙板的本構(gòu)關(guān)系的動態(tài)模型，進行蜂窩紙板的動態(tài)模型的參數(shù)識別，分析動態(tài)模型參數(shù)與實驗數(shù)據(jù)的吻合程度。</p><p>　　（4）利用蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)和性能特點，根據(jù)它的緩沖性能設(shè)計和優(yōu)化蜂窩紙板的包裝結(jié)構(gòu)。</p><p>　　

23、2　蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)及其主要特點</p><p>　　2.1 蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)和加工工藝</p><p>　　2.1.1 蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)</p><p>　　蜂窩紙板是具有規(guī)范夾層結(jié)構(gòu)的紙基板材。蜂窩紙板由芯紙和面紙構(gòu)成，芯紙由多層紙按照一定的規(guī)律粘貼之后拉伸而成，主要承受剪應力；面紙有上下兩層，由相同材質(zhì)、相同厚度的板材構(gòu)成，主要承受彎矩和扭矩。蜂窩紙板上、下兩層為面

24、紙（或紙板），中間為自然蜂窩狀的芯紙，用一定的膠粘劑將芯紙粘合在兩層面紙之間，形成3層狀結(jié)構(gòu)。</p><p>　　蜂窩紙板失效的主要形式是壓潰，致使失去剛性，而蜂窩紙箱的抗壓強度則直接與蜂窩紙板的側(cè)壓強度有關(guān)。影響蜂窩紙板承受側(cè)壓載荷的主要因素有：蜂窩紙板的蜂窩孔內(nèi)徑、面紙與芯紙的厚度、粘接強度[9]。蜂窩紙板所用蜂窩夾芯根據(jù)平面投影可為正六邊形、矩形、有加強帶的六角形、正弦曲線形等，如圖2-1所示[10]。在

25、諸多形狀中，有加強帶的六角形蜂窩的強度最高，其次是正六邊形蜂窩。</p><p>　　(a) 正六邊形 (b) 菱形 (c) 矩形</p><p>　　(d) 正弦曲線形 (e) 加強帶六角形</p><p>　　圖2-1 蜂窩芯的形狀</p><p>　

26、　（a） （b） （c）</p><p>　　圖2-2 不同孔徑比蜂窩</p><p>　　孔徑比，圖2-2a為拉滿時的正六邊形蜂窩，；圖2-2b為欠拉伸蜂窩，；圖2-2c為過拉伸蜂窩，。</p><p>　　蜂窩紙板的厚度變化主要靠增加或減少蜂窩芯紙的厚度來實現(xiàn)[11]。蜂窩紙板的面紙厚度、蜂窩

27、芯紙的厚度、蜂窩芯柱的高度和芯柱孔的內(nèi)徑，都可以根據(jù)紙板的不同用途而決定[12]。</p><p>　　2.1.2 蜂窩紙板的加工工藝</p><p>　　目前，蜂窩紙板的加工工藝主要有拉伸法和直接成型法兩種。</p><p>　?。?）拉伸法（間接成形法）工藝流程</p><p>　　拉伸成型工藝分為橫向涂膠和縱向涂膠兩種方式。以橫向涂膠為

28、例其基本工藝過程是：首先在芯紙上涂膠，并將已涂膠的紙帶按適當長度切斷，再將它們交錯層疊，得到具有一定厚度、粘接為一體的芯紙板坯，然后根據(jù)待生產(chǎn)的蜂窩紙板厚度，從芯紙板坯上裁切下一定寬度的芯條，將芯條對接成芯板，對芯板進行拉伸獲得蜂窩芯板，最后將面紙或其他材料與之復合成為蜂窩紙板。</p><p>　　從加工工藝路線可以看出，蜂窩紙板的生產(chǎn)屬于勞動密集型的產(chǎn)業(yè)，我國的勞動力資源豐富，勞動力成本低，是適合我國目前的基

29、本國情的，便于在我國推廣使用。不過這種加工工藝，由于在加工過程中原紙沒有經(jīng)過特殊處理，在拉伸時蜂窩紙芯的六邊形取決于施膠的寬度、膠水的粘接力和紙的基本力學、物理性能等多種因素。由于以上種種因素在加工過程中無法精確控制，造成在拉伸過程中出現(xiàn)局部拉伸不足和拉伸過量，導致蜂窩紙芯的形狀不夠規(guī)則，影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，這在一定程度上限制了蜂窩紙板的應用領(lǐng)域和應用范圍[13]。</p><p>　?。?）直接成形法工藝流程

30、</p><p>　　首先根據(jù)需要生產(chǎn)蜂窩紙板的厚度、寬度、長度，將芯紙紙帶分切為具有適當寬度和長度的芯紙條，其寬度與蜂窩紙板的厚度相對應，而長度與紙板的寬度或長度相對應，之后利用模具將平直的芯紙條壓制成由多個半六邊形構(gòu)成的“鋸齒狀”芯紙條，如圖2-3所示。</p><p><b>　　圖2-3 紙芯</b></p><p>　　為了保持壓制出

31、的半六邊形形狀，還必須對成型的芯紙條進行高溫定型和固化處理，然后根據(jù)待加工蜂窩紙板的寬度或長度要求，將若干個經(jīng)過固化處理的“鋸齒狀”芯紙條依次排列和粘接在一起，使相鄰的芯紙條上的半六邊形合成完整的六邊形構(gòu)成蜂窩狀紙芯，就可以獲得形狀規(guī)則的蜂窩紙板。最后將面紙或其它材料復合在蜂窩芯紙的兩側(cè)便可以制造出需要的蜂窩紙板。</p><p>　　直接成形法與間接成形法相比較，它的優(yōu)點是：</p><p&

32、gt;　　1）能夠加工出比較規(guī)則的蜂窩，蜂窩紙芯的形狀是十分規(guī)則的正六邊形；</p><p>　　2）施膠均勻性好，整個紙板的力學性能均勻性也好，力學性能優(yōu)于間接成型法加工出來的蜂窩紙板；</p><p>　　但它的缺點也很明顯，那就是它的加工工藝對設(shè)備和生產(chǎn)條件均有較高的要求，這就導致成本的上升，不利于產(chǎn)品的推廣使用，目前國內(nèi)使用的還比較少，國際上也很少有采用這一加工工藝的廠家。<

33、/p><p>　　而對于間接成形法來說，雖然加工出的蜂窩紙板紙芯的形狀沒有直接成形法加工出來的蜂窩紙板紙芯的形狀規(guī)則，施膠均勻性也沒有直接成形法的施膠均勻性好，其力學性能雖然不如直接成形法加工出的蜂窩紙板，但由于這種方法對加工工藝和加工設(shè)備的要求相對較低，生產(chǎn)成本也就比較低，從而使得它擁有價格上的優(yōu)勢，所以這種加工方法是我國目前主要的蜂窩紙板生產(chǎn)方法。</p><p>　　2.2　蜂窩紙板的主

34、要特點</p><p>　　蜂窩復合材料是人類受自然界蜜蜂用最少的蜂蠟筑起最穩(wěn)定、容積最大的六角形蜂巢的啟迪，創(chuàng)造性地開發(fā)出的仿生材料，因此也同樣具有以最少的材料獲得最大的容積和最大的強度的特點。根據(jù)仿生學，蜂窩紙板還具有強度高、彈性大的特點，同時，它的抗壓、防震、防潮、隔熱性能都很突出[14]。其主要特點如下：</p><p>　　蜂窩拉伸成型時，只有1%～10%的蜂窩材料，其余皆為空氣

35、，因而節(jié)約了大量材料，降低了蜂窩紙板的成本。</p><p>　　蜂窩紙板可全部由再生紙制作，并且使用后可百分之百回收利用，是真正意義上的綠色包裝材料[15]。</p><p>　　單獨的蜂窩類似于一面受壓力，另一面受拉力作用的工字梁結(jié)構(gòu)，蜂窩紙板可看作一系列連續(xù)的工字梁所構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它可以承擔來自各個方向的作用力。獨特的結(jié)構(gòu)使其具有很大的強度/重量比和極佳的性能/價格比。蜂窩紙板最大

36、的優(yōu)點是它的強度重量比大，重量輕而強度和剛度大是蜂窩紙板成功的關(guān)鍵。它的密度可以小到0.024g/cm3，比水輕40多倍[16]；</p><p>　　蜂窩紙板的抗壓強度是一定的，當外力超過這一值時，蜂窩芯被壓縮，形成很好的緩沖層，具有較好的韌性和回彈性，并可大量吸收外部的動能，能有效地抗沖擊。只要將紙板的厚度加大，就可以吸收極大的沖擊能。</p><p>　　由于蜂窩紙在裁切時的公差非常

37、小，一般小于±0.2mm，因而成品的蜂窩紙板有非常好的平整性。又由于紙的空間方向、植物纖維和其他成分分布不同、排列不同、取向不同，導致蜂窩紙板的性質(zhì)具有顯著的各向異性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常好，因而蜂窩紙品不易變形。</p><p>　　蜂窩板的芯層被分割成互不連通的封閉小室，形成大量的封閉空間，空氣的運動因此被嚴格的限制在小室中，阻止了熱量和聲波的傳播，所以擁有很好的隔音、保濕性能[17]。</p>

38、;<p>　　蜂窩紙板是全紙質(zhì)材料，易于通過特殊工藝處理而獲得防水、防潮、阻燃防火、防霉、固化等特殊性能。</p><p>　　蜂窩紙板易于切削、鉆孔，可以加工成各種所需的形狀和尺寸，同時，它與其他結(jié)構(gòu)材料有很好的相容性，適合用作緩沖襯墊[18]。</p><p>　　由于蜂窩紙板的特殊構(gòu)造，使得蜂窩紙板具有多相性，包括固相、液相及氣相。固相成分包括植物纖維、膠料、填料及燃料

39、等，是決定蜂窩紙板力學性能的主要因素；液相成分包括水分，氣相成分主要是空氣，含量較小，液相和氣相的存在使得蜂窩紙板的力學性能更為復雜多變。蜂窩紙板的力學性質(zhì)主要由固相來決定，液相和氣相成分的存在是的蜂窩紙板的力學性能更為復雜、多變。</p><p>　　2.3 蜂窩紙板與其他緩沖材料性能的比較</p><p>　　2.3.1 蜂窩紙板與瓦楞紙板</p><p>　

40、　由于蜂窩紙板與瓦楞紙板的原材料均是紙板，所以兩者在性能上更具有可比性。</p><p>　?。?）重量上：蜂窩紙板具有重量輕的優(yōu)點。用1m2、5mm厚的五層瓦楞紙板材料，可生產(chǎn)10mm厚的蜂窩紙板1.44 m2，其重量僅是同面積瓦楞紙板的70%。用于建筑則減少承重。</p><p>　?。?）強度上：蜂窩紙板因其獨特的結(jié)構(gòu)，具有較強的抗壓、抗折能力。10mm厚的蜂窩紙板的抗壓強度是瓦楞紙

41、板的2～75.6倍，抗折強度是五層瓦楞紙板橫向強度的2倍，是縱向強度的29.2倍。與蜂窩紙板相比，瓦楞紙板紙質(zhì)較軟，棱形受沖擊易變形，內(nèi)裝產(chǎn)品的破損率較高。</p><p>　　（3）成本上：蜂窩紙板比瓦楞紙板用材少，同時可采用廉價的再生紙、草漿紙生產(chǎn)。原料成本僅為同規(guī)格瓦楞紙板的2/3。而且，蜂窩紙板越厚，其節(jié)省材料的優(yōu)勢就越突出。另外，用蜂窩紙板制作的紙箱在運輸中的破損率比瓦楞紙箱減少20～25倍，大幅度降低

42、了運輸包裝費用。</p><p>　　2.3.2 蜂窩紙板與EPS緩沖材料</p><p>　　與EPS緩沖材料相比，蜂窩紙板是蜂窩芯狀結(jié)構(gòu)，疏密程度不同，其彈性變化范圍很大，優(yōu)異的緩沖隔振性能，接近EPS，但不污染環(huán)境。蜂窩紙板易于回收，再生率高。污染小，有利于環(huán)境保護。機電產(chǎn)品是量大面廣的產(chǎn)品，且包裝又多為運輸包裝，一旦完成運輸后，即成為包裝廢棄物，應用回收性好的材料事關(guān)重要，所以大量

43、應用蜂窩紙板箱，可稱其為是機械工業(yè)產(chǎn)品的“綠色包裝”[19]。從保護生態(tài)環(huán)境考慮，以蜂窩紙板部分取代EPS是有必要的，完全可行的。</p><p>　　3 蜂窩紙板性能的實驗測試</p><p>　　3.1 實驗設(shè)備與材料</p><p>　　實驗儀器使用濟南試金集團有限公司生產(chǎn)的WDW-100型微機控制電子式萬能試驗機。試驗條件是：溫度T=16℃，相對濕度RH

44、=56%。實驗采用三種蜂窩紙板，厚度分別為30、40、50mm，紙板試樣面積均為A=100×100(mm2)，三種蜂窩紙板數(shù)量各15件，試樣規(guī)格如表3-1所示：</p><p><b>　　表3-1 試樣規(guī)格</b></p><p><b>　　3.2 實驗方法</b></p><p>　　實驗方法參考國家標準

45、 [20-21]，采用A法進行實驗。</p><p>　　實驗的基本原理：實驗機上的壓板以一定的速度勻速運動，對試樣施加壓縮載荷。蜂窩紙板受到如圖3-1所示的均勻壓力載荷作用。</p><p>　　圖3-1 實驗載荷分布圖</p><p><b>　　圖3-2 試樣</b></p><p>　　圖3-3 壓縮后試樣<

46、;/p><p>　　將厚度為30mm的試樣均分成5組，每組3件，分別以7.2、12、17、150、350mm/min的速度沿厚度方向逐漸增加載荷，試樣及壓縮后試樣如圖3-2、3-3所示。壓縮過程中，實驗設(shè)備自動測量記錄壓縮負荷和位移的變化過程，繪制負荷和壓縮位移曲線，可以用式（3-1）將測量的負荷和壓縮位移轉(zhuǎn)變?yōu)閼蛻僛22]。</p><p><b>　　（3-1）</b

47、></p><p>　　其中：為壓縮應力，；</p><p>　　為垂直正向壓縮載荷，；</p><p>　　為蜂窩紙板試件的承壓面積，；</p><p><b>　　為壓縮應變，；</b></p><p>　　為蜂窩紙板試件的厚度，；</p><p>　　為蜂窩紙板

48、試件在實驗過程中的厚度，。</p><p>　　40、50mm厚試樣的實驗方法也采用30mm厚試樣的相同實驗方法。</p><p>　　3.3 實驗數(shù)據(jù)處理</p><p>　?。?）30mm厚的試樣</p><p>　　測量了壓縮速度分別為7.2mm/min、12mm/min、17mm/min、150mm/min和350mm/min五種情

49、況，每一種壓縮速度測量了3組數(shù)據(jù)，并用平均法對得到的數(shù)據(jù)進行處理，繪制出厚度為30mm的蜂窩紙板的應力與應變之間關(guān)系曲線。蜂窩紙板在塑性坍塌和密實化階段的變形基本與壓縮速度關(guān)系不大，為方便分析，只給出了蜂窩紙板彈性變形和彈塑性變形階段的曲線，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 30mm厚蜂窩紙板應力-應變曲線</p><p>　　30mm厚蜂窩紙板試樣在不同變形速率下得到的最大

50、應力見表3-2。</p><p>　　表3-2 厚度為30mm的蜂窩紙板試樣各變形速度下得到的最大應力</p><p>　?。?）40mm厚的試樣</p><p>　　測量了壓縮速度分別為7.2mm/min、12mm/min、17mm/min、150mm/min和350mm/min五種情況，每一種壓縮速度測量了3組數(shù)據(jù)，并用平均法對得到的數(shù)據(jù)進行處理，繪制出厚度為4

51、0mm的蜂窩紙板的應力與應變之間關(guān)系曲線。蜂窩紙板在塑性坍塌和密實化階段的變形基本與壓縮速度關(guān)系不大，為方便分析，只給出了蜂窩紙板彈性變形和彈塑性變形階段的曲線，如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 40mm厚蜂窩紙板應力-應變曲線</p><p>　　40mm厚蜂窩紙板試樣在不同變形速率下得到的最大應力見表3-3。</p><p>　　表3-3 厚度為4

52、0mm的蜂窩紙板試樣各變形速度下得到的最大應力</p><p>　　（3）50mm厚的試樣</p><p>　　測量了壓縮速度分別為7.2mm/min、12mm/min、17mm/min、150mm/min和350mm/min五種情況，每一種壓縮速度測量了3組數(shù)據(jù)，并用平均法對得到的數(shù)據(jù)進行處理，繪制出厚度為50mm的蜂窩紙板的應力與應變之間關(guān)系曲線。蜂窩紙板在塑性坍塌和密實化階段的變形基

53、本與壓縮速度關(guān)系不大，為方便分析，只給出了蜂窩紙板彈性變形和彈塑性變形階段的曲線，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 50mm厚蜂窩紙板應力-應變曲線</p><p>　　50mm厚蜂窩紙板試樣在不同變形速率下得到的最大應力見表3-4。</p><p>　　表3-4 厚度為50mm的蜂窩紙板試樣各變形速度下得到的最大負荷</p><p

54、>　　蜂窩紙板抗壓強度計算</p><p>　　抗壓強度按下式計算：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中：為抗壓強度，；</p><p>　　為破壞載荷或最大載荷，；</p><p><b>　　為試樣橫截面積，。</b></

55、p><p>　　由此可見，即實驗中得到的最大應力。</p><p>　　壓縮彈性模量按下式計算：</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　其中：為壓縮彈性模量，；</p><p><b>　　為抗壓強度，；</b></p><p&g

56、t;　　為抗壓強度對應的應變，；</p><p>　　由式（3-2）和式（3-3），求出不同厚度蜂窩紙板在不同壓縮速度下的抗壓強度和彈性模量，如表3-5所示。</p><p>　　表3-5 抗壓強度和彈性模量</p><p>　　3.5 實驗結(jié)果分析</p><p>　　3.5.1 變形過程分析</p><p>　　

57、蜂窩紙板的壓縮過程應力與應變之間關(guān)系的變化曲線如圖3-7所示。由圖可見，蜂窩紙板的壓縮變形過程可分為彈性變形階段、彈塑性變形階段、塑性坍塌階段、密實化階段等4個階段。</p><p><b>　?。?）彈性變形階段</b></p><p>　　壓縮開始，彈性變形在加載瞬間產(chǎn)生，應力隨應變快速增加，應力與應變之間在數(shù)值上基本符合線性比例關(guān)系；該階段彈性變形可逆，與壓力的

58、壓縮過程對應，符合胡克定律。蜂窩紙板的彈性屈曲在蜂窩紙板的壓縮變形中只占微小的一部分，所以將其簡化為線彈性區(qū)同樣的模型，當線彈性應力等于彈性屈曲臨界載荷時，在應力應變曲線中表現(xiàn)出一個彈性屈曲應力峰值[23]。</p><p>　　圖3-7 全程壓縮應力—應變曲線</p><p>　?。?）彈塑性變形階段</p><p>　　由于芯紙是非線性材料，以及蜂窩的結(jié)構(gòu)不均

59、勻性，蜂窩結(jié)構(gòu)開始逐步屈服，逐步進入到塑性階段，這一階段，隨著蜂窩載荷的加載，蜂窩紙芯的變形由局部的彈性坍塌轉(zhuǎn)化為塑性鉸為特征的塑性屈曲[24]。材料所承受的壓力減小，變形不斷增加，材料短時間內(nèi)失去了對變形的抵抗能力，故呈現(xiàn)壓力逐步下降。</p><p><b>　?。?）塑性坍塌階段</b></p><p>　　應力隨應變的不斷增加基本保持不變；壓潰載荷隨壓縮應變的

60、增大呈一定規(guī)律性地上下波動，直到蜂窩紙幾乎完全坍塌以至與所有相對的蜂窩壁面接觸。此階段應力在 “平穩(wěn)”應力（plateau stress）[25]的附近。也可稱為蜂窩紙板平壓時的壓潰強度（Crush Strength）。</p><p><b>　　（4）密實化階段</b></p><p>　　當蜂窩紙板的應變量達到密實化應變量后，其壓應力幾乎呈豎直上升狀態(tài)，紙板本身

61、幾乎失去彈性，在該階段，蜂窩結(jié)構(gòu)被完全破壞、壓實，壓縮應力隨應變的增加而急劇增加。當蜂窩紙芯壓縮過程中的瞬時相對密度達到0.5左右時，壓縮應變達到密實化應變（Densification Strain）。此時蜂窩紙板已經(jīng)不再起到緩沖作用，因此這一階段對于研究蜂窩紙板的緩沖性能沒有什么實質(zhì)性的意義，可以不予考慮。 </p><p>　　由實驗得出的應力與應變關(guān)系曲線可以看出，蜂窩紙板變形的第一階段（彈性階段）基本

62、發(fā)生在這一階段，主要作為隔振使用；變形的第二階段（彈塑性階段）基本發(fā)生在這一階段；變形的第三階段（塑性坍塌階段）基本發(fā)生在。第二階段和第三階段在受壓縮的過程中都可以吸收能量，起到緩沖作用。</p><p>　　3.5.2 壓縮變形速度與蜂窩紙板力學性能的關(guān)系</p><p>　　由圖3-4、3-5、3-6及表3-2、3-3、3-4可以看出，相同厚度的蜂窩紙板在不同的壓縮變形速度下，得到的最

63、大應力集中在一定范圍內(nèi)，且在該范圍內(nèi)，各壓縮變形速度下得到的最大應力值變化較大。整體看來，壓縮變形速度較小時，蜂窩紙板最大應力的變化有逐漸上升趨勢；較大壓縮變形速度下的最大應力比較小壓縮變形速度下的最大應力有所提高；但在壓縮變形速度非常大（350mm/min）時，各厚度的蜂窩紙板的最大應力均有所下降。這就是說，當外界的沖擊速度較小時，蜂窩紙板的隔振能力隨沖擊力的增大而逐漸增大；而當沖擊速度非常大時，蜂窩紙板的隔振能力將降低。</p

64、><p>　　在不同壓縮速度下，蜂窩紙板的最大應力有變化。例如，蜂窩紙板厚度為30mm時，最大應力變化量達到19.3%；蜂窩紙板厚度為40mm時，最大應力變化量達到51.7%；蜂窩紙板厚度為50mm時，最大應力變化量達到13.8%。實驗中使用得蜂窩紙板厚度較大，制造質(zhì)量較高，使得蜂窩紙板在各種壓縮速度作用下的抗壓能力較為穩(wěn)定，最大應力隨加載速度的增加逐漸增大；但壓縮變形速度達到350mm/min時，反而最大應力降低。

65、</p><p>　　3.5.3 實驗結(jié)果中特殊情況分析</p><p>　?。?）一般認為，蜂窩紙板在彈性階段隨著厚度的增加，曲線的斜率降低。這是因為紙板的厚度越小，材料的剛性就越好，強度就越高，就越不易被壓變形；進而，隨著蜂窩紙板厚度的增加，材料屈服點的應力值降低，也可以說材料越厚，在受到外力時越易達到屈服階段[26]。在實驗中，40mm厚的蜂窩紙板試樣的材料與30mm和50mm厚的

66、試樣的材料不同，蜂窩紙板制造材料的紙板厚度較薄、紙板孔徑比小、施膠量較低，使制造出來的蜂窩紙板較軟，抗壓強度和彈性模量都較低，使其隔振緩沖性能較差，在各種壓縮速度作用下的抗壓能力穩(wěn)定性低。</p><p>　?。?）30mm厚的蜂窩紙板在壓縮變形速度為12mm/min的情況下，使用的紙板試樣，表面不平整，單位面積的芯紙定量不一致，使紙板各點厚度不均勻，在受到壓縮時，不能均勻受力，抗壓強度較低，緩沖性能較差，得到的

67、最大應力值較低。</p><p>　　4 本構(gòu)關(guān)系模型的建立與參數(shù)識別</p><p>　　以國家標準規(guī)定的壓縮速度12mm/min的實驗測試結(jié)果為例，建立蜂窩紙板本構(gòu)關(guān)系的動態(tài)模型。</p><p>　　4.1 本構(gòu)關(guān)系的動態(tài)模型</p><p><b>　?。?）彈性變形階段</b></p><p

68、>　　蜂窩紙板在彈性變形階段應力與應變基本呈線性關(guān)系，但可能存在非線性關(guān)系，為此假定應力應變表達式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　邊界條件為</b></p><p><b>　　（4-2）</b></p><p>　?。?

69、）彈塑性變形階段</p><p>　　蜂窩紙板的彈塑性階段可近似看作二次函數(shù)，假定應力應變表達式為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　邊界條件為</b></p><p><b>　　（4-4）</b></p><p

70、><b>　　（3）塑性坍塌階段</b></p><p>　　蜂窩紙板的塑性坍塌階段近似為水平直線，但為準確反映其函數(shù)關(guān)系，假定應力應變表達式為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　邊界條件為</b></p><p><b&

71、gt;　?。?-6）</b></p><p><b>　　（4）密實化階段 </b></p><p>　　蜂窩紙板的塑性坍塌階段可近似看作二次函數(shù)，假定應力應變表達式為</p><p><b>　　（4-7）</b></p><p><b>　　邊界條件為</b>&

72、lt;/p><p><b>　　（4-8）</b></p><p>　　4.2 動態(tài)模型的參數(shù)識別</p><p>　　取各階段若干數(shù)據(jù)代入假定函數(shù)中，用最小二乘法求得各參數(shù)如表4-1。</p><p>　　表4-1 動態(tài)模型參數(shù)值</p><p>　　4.3 動態(tài)模型參數(shù)的擬合結(jié)果分析</p&

73、gt;<p>　　以30mm厚蜂窩紙板的實驗數(shù)據(jù)為例，進行動態(tài)模型參數(shù)的擬合結(jié)果分析：</p><p><b>　　（1）彈性變形階段</b></p><p><b>　　應力應變表達式為：</b></p><p><b>　　邊界條件為：</b></p><p>

74、;　　（2）彈塑性變形階段</p><p><b>　　應力應變表達式為：</b></p><p><b>　　邊界條件為：</b></p><p><b>　?。?）塑性坍塌階段</b></p><p><b>　　應力應變表達式為：</b></p

75、><p><b>　　邊界條件為：</b></p><p><b>　?。?）密實化階段</b></p><p><b>　　應力應變表達式為：</b></p><p><b>　　邊界條件為：</b></p><p>　　根據(jù)以上模型

76、，繪出應力-應變曲線，并與實驗所得曲線相比較，如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 數(shù)據(jù)擬合曲線與實驗所得曲線比較</p><p>　　圖4-1表示用數(shù)學擬合方法計算的蜂窩紙板材料的應力—應變曲線和實驗結(jié)果的對比。由圖4-1可見，擬合計算結(jié)果表明計算公式對蜂窩紙板材料的實驗數(shù)據(jù)能實現(xiàn)良好的擬合，模型反映了材料靜態(tài)單軸壓縮下的力學行為。</p><p>　　

77、5 蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　5.1 緩沖包裝材料的緩沖性能</p><p>　　5.1.1緩沖材料的基本性能要求</p><p>　?。?）沖擊能量的吸收性能</p><p>　　緩沖材料的任務是吸收包裝在受到?jīng)_擊、振動時所產(chǎn)生的能量。但不要認為吸收能量大的材料就一定好，而要注意材料吸收性能的大小應與所受沖擊的能量相適應。一

78、般硬性緩沖材料、具有較大沖擊能量吸收性，適合用于受沖擊力較大的場合，柔軟的緩沖材料，適用于受沖擊小的場合。</p><p><b>　?。?）振動吸收性能</b></p><p>　　包裝產(chǎn)品被損壞的原因，除受外力產(chǎn)生的沖擊加速度影響外，就是在運輸過程中所產(chǎn)生的振動加速度。若外力造成的振動頻率與包裝物固有的振動頻率相同時，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振幅增大而使產(chǎn)品遭到破壞。緩

79、沖材料應具有吸收振動外力，達到振動衰減的性能。阻尼性能衰減包裝系統(tǒng)的振動能量能起到隔振和減振的效果。</p><p><b>　?。?）復原性能</b></p><p>　　緩沖材料加上負荷產(chǎn)生變形，當除去外加負荷后，材料恢復原來的形狀的程度成為復原性。材料負荷后有長期靜壓荷重和受瞬時沖擊、振動荷重這兩者的區(qū)別。受前者荷重的復原性能成為靜復原性，受后者荷重的復原性能成

80、為動復原性。對于吸收能量大而復原性不好的材料、不宜作為多次緩沖材料[27]。</p><p>　　5.1.2 蜂窩紙板緩沖性能的影響因素</p><p>　　影響蜂窩紙板緩沖性能的主要因素有原紙質(zhì)量、紙蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境和加工工藝等。</p><p>　　（1）原紙質(zhì)量的影響</p><p>　　蜂窩紙板要求面紙和芯紙具有較好的物理性能和表面

81、性能。物理性能要求芯紙和面紙都有較高的環(huán)壓強度、抗張強度，此外，面紙還需要有較高的耐破度，用于直接成型的芯紙還要有較好的耐折度。環(huán)壓強度是表示紙板垂直耐壓能力的指標，芯紙原紙的環(huán)壓強度和面紙的環(huán)壓強度分別對蜂窩紙板的平面抗張強度和垂直抗壓強度作主要貢獻。</p><p>　　紙的表面性能對蜂窩芯紙及其與面紙的粘貼特性有很大影響。這里主要指紙的緊度和滲水性。紙是由植物纖維制成的，其主要化學成分是纖維素和半纖維素，這

82、就決定了紙具有疏松多孔性和吸水潤漲性。疏松多孔性使過于疏松的紙浪費膠粘劑且強度低，因此應選用緊度較高的原紙。吸水潤漲性是纖維素的化學性質(zhì)所決定的，這種潤漲的程度是各向異性的，使紙或紙板遇水后產(chǎn)生不規(guī)則扭曲變形。纖維吸水的結(jié)果導致膠粘劑浪費、粘接強度降低、紙表面不平整、紙強度下降，因此要求原紙具有良好的抗水性。這個抗水能力通常通過視角來獲得，其抗水程度用施膠度來表示。</p><p>　　對于原紙的定量，漿料種類，

83、主要看蜂窩紙板的用途來定，一般用130g/cm2～170g/cm2芯紙，300g/cm2～500g/cm2面紙，使用講的成分有100%木漿，也有100%草漿或混合漿，可使用再生紙漿。通常采用300g/cm2的普通箱紙板作為面紙，采用140g/cm2高強瓦楞原紙作蜂窩芯紙。</p><p>　?。?）紙蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響</p><p>　　孔徑比越大，單位面積參與承載的蜂窩壁板個數(shù)越少。當

84、孔徑比大于1時，隨著孔徑比的增大，平壓強度降低，緩沖性能減小[28]。蜂窩紙芯的平壓強度大于蜂窩紙板的平壓強度，但剝離面紙后的紙芯平壓強度有所降低，比對應紙板小些[29]。</p><p>　　（3）環(huán)境和加工工藝的影響</p><p>　　蜂窩紙板是紙制品，因為值得力學性能受到溫濕度的影響很明顯，所以蜂窩紙板的緩沖性能對溫度和濕度都很敏感。紙蜂窩芯的施膠面在施膠后得到了強化作用，施膠面的

85、強度要大于沒有施膠的面。收縮率大小直接影響到蜂窩紙板力學性能的好壞，對于收縮率不大的蜂窩紙板來說，適當?shù)厥湛s會起到強化作用，提高了蜂窩紙板的力學性能，而對于收縮率較大的蜂窩紙板來說，會造成蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的破壞，降低了蜂窩紙板的力學性能[30]。</p><p>　?。?）蜂窩紙板中密封氣體的影響</p><p>　　蜂窩紙板內(nèi)部是一個一個的封閉的小空間，其內(nèi)部儲存的氣體是處于封閉狀態(tài)的，在蜂

86、窩紙板受到壓力開始，到破壞之前，這些儲存在封閉的小空間中的氣體無法逸出，而是與蜂窩紙板一起承受壓力，隨著蜂窩紙板變形的增加，封閉的氣體的體積減小，封閉氣體的壓強增大，起到一定的承載作用，這對于提高蜂窩紙板的力學性能和緩沖能力是有益的。另外，生產(chǎn)時的溫度如果高于使用時的溫度，則蜂窩紙板內(nèi)的其體會壓縮，壓強減小，低于外部的大氣壓，相當于蜂窩紙板受到了一定的壓力，從而降低了蜂窩紙板的承載能力。</p><p>　　5.

87、2 蜂窩紙板的力學特征</p><p>　　5.2.1 蜂窩紙板的基本力學特征</p><p>　　蜂窩紙板采用拉伸法的加工工藝，由于蜂窩紙板的制造工藝影響到蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)特征和各個方向的力學性能，造成蜂窩紙板在各個方向上的力學性能顯著差別。蜂窩紙板在三個相互垂直的方向上的力學性能有明顯的差異，也即各向異性。如圖5-1所示，蜂窩紙板的三個方向上的承載能力的大小順序為：Z>X>

88、Y。</p><p>　　X為蜂窩紙芯的膠接面方向；Y為蜂窩紙芯的拉伸方向；Z為蜂窩紙芯的厚度方向。</p><p>　　圖5-1 蜂窩紙板的受力方向</p><p>　　5.2.2 蜂窩紙板的力學模型</p><p>　　蜂窩紙板具有粘彈性和塑性，兼有Maxwell模型和Kelvin模型的特征[31]。因此，可將蜂窩紙板的力學模型視為由兩個

89、Maxwell模型（彈簧k1和阻尼器c1并聯(lián)，彈簧k4和阻尼器c4串聯(lián)）、Kelvin模型（彈簧k2和阻尼器c2串聯(lián)，彈簧k3和阻尼器c3并聯(lián)）及塑性元件（s1，s2）的組合形式，如圖5-2所示[32]。</p><p>　　圖5-2 蜂窩紙板力學模型</p><p>　　5.2.3 蜂窩型緩沖系統(tǒng)的動力學描述</p><p>　　蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)獨特，這種獨特的結(jié)

90、構(gòu)使它具有優(yōu)良的力學性能。首先，經(jīng)實踐證明將紙做成蜂窩狀，其立面的抗壓強度是其他方位的100倍，1g的蜂窩紙板能承受800g的壓力而不會變形。</p><p>　　蜂窩紙板的主要成分是紙張，加之構(gòu)成紙張的填料和膠料，它們又各有不同的物理屬性，因而使紙板的力學特性既不同于彈性物體或塑性物體，又不同于理想的流體。當紙張受力變形時，既會呈現(xiàn)彈性變形的某些特征，又會呈現(xiàn)流體的粘性，稱之為粘彈性現(xiàn)象。按流變學觀點，紙緩沖材

91、料具有粘彈塑性。也就是說，它可以假定是由彈性、粘性、塑性三要素所構(gòu)成的物質(zhì)[33]。粘性液體在一定的承受能力狀況下具有損耗能量的能力，而不能貯存能量；相反，彈性材料能貯存而不能損耗能量。蜂窩紙板的特性介于兩者之間，當它產(chǎn)生動態(tài)的應力與應變時，部分能量可以貯存起來，另一部分能量則被轉(zhuǎn)化成熱量而被耗散掉。蜂窩紙板作為一種緩沖包裝材料，是包裝物品在流通過程中受到外力的作用而遭受到?jīng)_擊和振動時，能吸收外力產(chǎn)生的能量，防止產(chǎn)品遭受破壞，它是具有高

92、度壓縮和復原性的粘彈性材料[34]。</p><p>　　5.2.4 蜂窩紙板的緩沖系數(shù)</p><p>　　蜂窩紙板在實際應用中起到彈性體的作用，它的應變能式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　或

93、 （5-2）</p><p>　　對于連續(xù)函數(shù)，式（5-2）也可以寫成：</p><p><b>　　（5-3）</b></p><p>　　這就是圖5-3中的陰影所對應的面積部分。</p><p><b>　　圖5-3 變形能</b></p><p>　　由于在作

94、為緩沖襯墊時，主要使用它的一個方向即“Z”向的緩沖性能（如靜態(tài)壓縮實驗），因此可忽略其它方向及剪切彈性，所以蜂窩紙板的變形能可以簡化為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　（1）緩沖系數(shù)的定義（C）</p><p>　　緩沖系數(shù)是表征緩沖材料性能優(yōu)劣的物理量，表征的是材料發(fā)生變形時候吸收能量的能力。</p

95、><p>　　緩沖系數(shù)的數(shù)學表達式為：</p><p><b>　　(5-5)</b></p><p>　　式中，E為緩沖材料發(fā)生變形時吸收的能量。</p><p><b>　　(5-6)</b></p><p>　?。?）緩沖系數(shù)的物理意義</p><p&g

96、t;　　圖5-4表示三種不同的材料在相同的應力下，有相同的承載能力，材料的應力與應變曲線，曲線下面的陰影部分是材料變形時吸收的變形能，可以看出三條曲線下所包含面積是有明顯差別的，存在著的關(guān)系。這說明單位體積的三種材料吸收能量的性能a優(yōu)于b，c的性能最差，在用作緩沖材料時a時最好的，而c是最差的，這就是緩沖系數(shù)的基本意義。</p><p>　　圖5-4 緩沖系數(shù)的物理意義</p><p>　

97、　5.3 蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化</p><p>　　蜂窩紙板由兩層面紙和一層芯紙膠接而成，數(shù)層紙按規(guī)律粘貼而成的芯紙呈蜂窩狀。蜂窩紙板的蜂窩夾層板主要承載剪應力、彎矩和扭矩，紙芯形成的蜂窩夾芯主要承載剪應力。</p><p>　　蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)對蜂窩紙板的力學性能的影響：</p><p>　?。?）蜂窩：對于相同材料和相同的加工工藝流程的蜂窩紙板，蜂窩邊長和孔

98、徑比對蜂窩紙板的力學性能的影響主要表現(xiàn)在相同承載面積的蜂窩紙板的蜂窩紙芯的個數(shù)不同，不同的蜂窩邊長和孔徑比決定了不同的蜂窩芯的數(shù)量，這兩個數(shù)據(jù)大則蜂窩芯的數(shù)量少，蜂窩紙板的承載能力低；反之，則蜂窩芯數(shù)量多，蜂窩紙板的承載能力提高。</p><p>　?。?）厚度：蜂窩紙板隨著厚度的增加，蜂窩紙板的緩沖能力也有所增加，但總體來說，影響不是很大，在對蜂窩紙板緩沖性能的有影響的因素中不屬于最重要的影響因素。</p

99、><p>　　根據(jù)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的特點，蜂窩紙板結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的約束條件有[35]：</p><p><b>　?。?）約束條件1</b></p><p>　　用芯子盡可能遠地將面板隔開，已獲得較大的彎曲剛度和提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，芯材的厚度要盡可能地大于面板厚度，即：</p><p>　　式中，為面板厚度；為芯材厚度。</p

100、><p><b>　?。?）約束條件2</b></p><p>　　蜂窩夾芯的格子尺寸（圖5-5中的）必須足夠小，使面板不會發(fā)生孔間屈曲。</p><p>　　設(shè)正六角形的邊長為，則實際應用中一般使用公式（5-7）所示的經(jīng)驗公式，即</p><p><b>　　(5-7)</b></p>

101、<p>　　圖5-5 蜂窩夾芯的格子尺寸</p><p><b>　?。?）約束條件4</b></p><p>　　蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的縱向剪切強度大于橫向剪切強度，其縱向剪切強度為</p><p><b>　　(5-8)</b></p><p>　　式中，為芯材剪切強度極限</p>

102、<p><b>　　從而得出下式</b></p><p><b>　　(5-9)</b></p><p><b>　?。?）約束條件4</b></p><p>　　蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的抗彎剛度為</p><p><b>　　(5-10)</b>&l

103、t;/p><p>　　其中令。一般芯層厚大于面板厚度，則。觀察式（5-10），可得到與成正比。由于通常選擇低容重芯材，所以增加不會使材料質(zhì)量過大，因此可增加其厚度用來提高抗彎強度。</p><p>　　設(shè)復合板每單位面積重，</p><p><b>　　(5-11)</b></p><p><b>　　令</

104、b></p><p>　　，那么 (5-12)</p><p>　　當時，即存在即最大抗彎剛度，就可以得到：</p><p><b>　　(5-13)</b></p><p>　　解式（5-13）可以得到兩個根</p><p><b>

105、;　　或</b></p><p>　　因為不符合實際情況，所以只有當滿足要求。根據(jù)的定義可以知道：當蜂窩芯子占總質(zhì)量的時，抗彎強度最大，及薪資的質(zhì)量是面板質(zhì)量的2倍。</p><p><b>　?。?）約束條件5</b></p><p>　　已知蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的最大彎矩為</p><p><b>　　

106、(5-14)</b></p><p>　　將及，帶入式(5-14)可得</p><p><b>　　(5-15)</b></p><p><b>　　同理時，存在。</b></p><p><b>　　解得</b></p><p>　　因此，

107、當芯子質(zhì)量=面板質(zhì)量時，彎矩最大，也即彎曲強度最大。通過對約束條件4和約束條件5的分析，從重量角度得出設(shè)計蜂窩芯復合材料的一個要求：為達到最大的彎矩強度和抗彎強度，應在之間。于是得到</p><p><b>　　(5-16)</b></p><p>　　式中，、——蜂窩夾芯材料和面板材料的密度。</p><p>　　根據(jù)以上推導，得到蜂窩紙板優(yōu)

108、化設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：面板厚度0.60mm；芯材厚度3mm；蜂窩格壁厚度2.65mm；蜂窩格邊長5mm；孔徑比為1[36]。</p><p>　　蜂窩紙板具有各向異性，由于基紙成分的空間分布、排列及取向的較大差異，造成蜂窩紙板的力學性質(zhì)具有顯著的各向異性。可見，蜂窩孔軸向受壓的“面紙正向加載”與蜂窩孔徑向受壓的“面紙側(cè)向加載”得到的蜂窩紙板的力學性能應該有明顯的差異。曾有人通過動、靜態(tài)壓縮實驗得出結(jié)論：相同厚度下，

109、蜂窩紙板“面紙正向加載”結(jié)構(gòu)的強度，較“面紙側(cè)向加載”結(jié)構(gòu)的強度，誰高誰低并不固定；相同厚度下，蜂窩紙板“面紙正向加載”結(jié)構(gòu)的緩沖性能，較“面紙側(cè)向加載”結(jié)構(gòu)的緩沖性能，誰更好并不固定，均視原料紙板厚度的不同而不同[37]。因此，在進行蜂窩紙板包裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要根據(jù)原料紙板的厚度具體考慮蜂窩紙板的強度及緩沖性能。</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><

110、p>　　蜂窩紙板是一種新型環(huán)保包裝材料，承重大、彈性好、強度高、重量輕、成本低，并可以回收再利用，順應了人們保護環(huán)境、保護森林資源的環(huán)保觀念。由于它具有優(yōu)越的力學性能和良好的社會效益，與其他緩沖包裝材料相比，有著眾多優(yōu)勢，受到了各國的重視，有著良好的發(fā)展和應用前景。本文通過實驗和理論計算研究了蜂窩紙板的隔振緩沖性能，得到了蜂窩紙板的應力與應變關(guān)系。</p><p>　?。?）蜂窩紙板所能承載的最大應力隨壓縮

111、變形速度變化，在壓縮變形速度較小時，蜂窩紙板的最大應力隨壓縮變形速度升高有逐漸上升趨勢；在壓縮變形速度大時，蜂窩紙板的最大應力隨壓縮變形速度升高有逐漸下降趨勢。說明壓縮變形速度對蜂窩紙板隔振緩沖性能有影響。</p><p>　?。?）蜂窩紙板的壓縮過程可分為彈性變形階段、彈塑性變形階段、塑性坍塌階段和密實化階段四個階段。蜂窩紙板的變形發(fā)生線彈性變形，然后蜂窩孔穴產(chǎn)生彈性屈曲，導致非線彈性變形，在應力與應變曲線中出

112、現(xiàn)一個最大應力，繼而產(chǎn)生塑性坍塌，出現(xiàn)一段較長的近似的平臺區(qū)，最后孔穴完全坍塌破壞，其承載壓力急劇上升，蜂窩孔壁壓在一起。</p><p>　?。?）建立了蜂窩紙板壓縮變形的本構(gòu)關(guān)系模型，提出了蜂窩紙板壓縮變形的函數(shù)表達式，用實驗數(shù)據(jù)擬合了模型的參數(shù)，將計算數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果進行了對比分析，擬合結(jié)果說明模型和函數(shù)表達式能夠較好的反映蜂窩紙板的壓縮過程。</p><p>　?。?）分析了蜂窩紙板

113、的隔振緩沖原理和影響因素，研究了蜂窩紙板的原紙的厚度、蜂窩大小和孔徑比等與隔振緩沖性能的關(guān)系，提出了蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計方案，為企業(yè)改進和優(yōu)化緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 吳國榮，談蜂窩紙板[J]，包裝與食品機械，2003，21（4）：36-39</p><p>