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当瓦楞纸板和蜂窝纸板力学性能的研究

发布时间:2021-09-09 12:05:44 阅读: 来源:尿素泵厂家

瓦楞纸板和蜂窝纸板力学性能的研究

[摘要] 本文回顾了国内外瓦楞纸板和蜂窝纸板力学性能的研究状况。认为复合纸板的力学性能研究主要集中在静态结构稳定性研究和动态缓冲性能研究两方面。文章的最后提出了今后的研究任务和方向。

关键词:瓦楞纸板;蜂窝纸板;屈曲

蜂窝纸板是一种新型的环保包装缓;中材料,由纸质蜂窝夹层板组成,具有较高的耐压和较好的缓冲性能,以及保温、隔热及隔声性能,而且重量轻,强度高,承重大,成本低,易回收处理等优点,应用前景广阔。主要用作包装纸箱、包装缓冲垫,以及托盘等等,应用于电子电工产品、精密仪器、家用电器等产品的包装,可以代替木质包装材料。经过特殊处理后能够阻燃、防潮,防水、防霉以及防静电作用。缺点是蜂窝纸箱不可折叠,生产自动化程度低。下面把瓦楞纸板和蜂窝纸板统称为复合纸板。

包装容器的强度是保护产品不受破坏的关键性因素。研究复合纸板的力学性能,腐蚀实验:盐雾腐蚀、晶间腐蚀等优化包装容器的结构参数是非常必要的工作,从而达到节省财力和资源的目的。

1 回顾

目前对复合纸板的研究主要集中在两个方面。一是材料力学性能的研究,另一方面是结构力学性能的研究。

材料力学性能是研究复合纸板的基础。国内外文献从两个角度对此进行了研究。一是研究复合纸板的芯纸和面纸的力学性能,研究纸的弹性模量以及剪切模量等本构关系,这是一项基础性研究。另一方面是把复合纸板作为一种复合材料来进行研究。研究单元纸板材料各方向的刚度特性,这种研究要建立在前一种材料研究的基础之上。这方面有TomasNord-stand~“等的瓦楞纸复合板的研究。他把瓦楞纸板作为一种正交各向异性的复合材料,通过有限元法或者材料力学的法获得单元纸板各方向上刚度。同时利用两种试验方法针对五种不同型号的瓦楞纸板的主方向上的横向剪切模量进行了测量,并与有限元方法和分析方法所得的结果进行比较,目的是为设计者提供力口工过程对瓦楞德国纸板横向剪切刚度的影响L3]。而M.E.BiancoliniandC.Bruttik~更是从最基本的标准试验做起,在这里,以往经验的假设被瓦楞纸板力学和微观力学性质所代替,通过精细的有限元模型的计算对比,最后获得某型号箱体的轴向屈曲载荷。作者最终的目的是要对瓦楞纸板的设计提出一种优化方法,所以他要精细地研究各个参量对纸板箱屈曲载荷的影响。国内还有熊宏智,耿敏等人的复合纸板的实验研究。

纸板结构力学性能方面的研究也分为两个部分,一部分是静态或者准静态力学内容的研究,主要是蜂窝纸板作为一种结构的稳定特性,比如屈曲和后屈曲,屈曲是针对线弹性材料,而材料或者结构的性质往往呈现出非线性的特性,或者结构在屈曲后还能承受一定的载荷,直至压溃,这就需要后屈曲的研究。作为包装用的纸箱或是衬垫的屈曲主要应用于计算货物堆码等方面。这方面有Tomas Nordstandk…等在上述复34年更换1次合材料研究基础上给出瓦楞纸板的屈曲和后屈曲的分析方法,还与试验以及有限元分析的结果进行了对比,M.E.Biancolinik在上述复合材料研究基础上最终获得纸板箱体的屈曲。郭彦峰,许文才和王梅蜂窝纸板缓冲性能的研究,通过实验给出了4种不同厚度蜂窝纸板的横向静压曲线,说明蜂窝纸板在压溃的过程中分为弹性阶段,缓慢弹性阶段以及塑性变形阶段,并给出了弹簧阻尼器的等效弹簧阻尼器模型。张安宁等不同速率下蜂窝纸板静态压缩特性的试验研究。孙亚平等利用试验对瓦楞纸板的平压性能进行了研究,并且研究了孔径比和蜂窝板高度等参数对屈曲轴向压力的影响。孙亚平等把蜂窝纸板的轴向屈曲简化等效为方形薄板的屈曲问题,利用平板的大挠度变形理论,以环压强度为屈服强度,得到计算蜂窝纸板的轴向屈曲的公式,并结合试验,认为这种理论得到的结果比弹性屈曲理论得到结果更符合试验结果。国外蜂窝结构的研究集中在航天航空以及汽车工业领域,材料一般是金属的(铝),主要是板内侧压屈曲载荷研究。OleThyboThomsen等指出对于蜂窝型板结构,在局部单元内部面内载荷屈曲的情况下,作者认为以前的局部边界条件已经不适用,这种设计方法不合理,试验结果也显示传统的设计方法提供的结果过于保守,作者通过实验观察提出一种新的预测面内载荷屈曲的方法,专门用于单元内部屈曲这种情况。鉴于蜂窝结构是周期性结构,N·Ohno,D.okumur和H.NoguchiLl4`lSj建立起蜂窝结构局部失稳时Lagrangian形式的有限变形均质化理论,并且在一定假设的基础上给出局部失稳所满足的微观对称分叉条件。理论的结果符音以前试验所观察到的失稳模态,这种模态利用以往的理论不能阐明。SteinA.Berggren等””论述了方形蜂窝结构作为复合结柯的面内刚度性质的理论,基于此种理论然后使用有限元方法用以优化方形格的棱柱方位。

复合板结构力学性能的另一部分是动力学方面的研究,主要应用于防振,防冲击等方面。郭彦峰,张景绘基于跌落冲击试验和振动试验,研究了4种不同厚度的蜂窝纸板的缓;中防振性能,获得了动态缓冲曲线的经验公式及其特征系数,振动传递率曲线的峰值频率、传递率及阻尼比,为蜂窝纸板在缓冲防振包装中的推广应用提供了基本数据。张峻岭,毛中彦针对不同厚度的蜂窝纸板在正弦变频振动测试中的加速度传递,绘制其不同衰减系数的振动传递率曲线。郭彦峰,张景绘,许文才,潘松年针对不同厚度的蜂窝纸板在正弦变频振动测试中的加速度传递,绘制其不同衰减系数的振动传递率曲线。国外作为包装复合纸板的研究比较缺乏,但是蜂窝结构的研究却很多。Woo—YoungJung,AmjadJ.Aref介绍了一种新型的防震系统,由蜂窝结构聚合物和固体填充物组成,试验检测这种介质的在不同频率和不同应变条件下的动态响应,同时给出了有限元数值模型,这种模型考虑了不同温度和不同输入频率的影响,并与实验结果进行了对比。Chuug.和WaasAM针对汽车工业中障碍栏在高速机车的冲击下,蜂窝型结构的动态响应以及能量吸收的研究,目的是设计稳定性强的,耐试验的圆形单元蜂窝结构,用以检测汽车的防撞性能。作者在这两篇文献中分别利用试验方法和3D有限元方法对这一蜂窝防护结构的静态屈曲载荷和在高速撞击下的压溃变形,能量吸收与结构参数的关系进行了研究,作者的有限元模型与试验结果非常吻合。A.Honig,和W.LStronge研究了高速;中击下压缩波对蜂窝结构压溃的影响。T·Saitoetc.为

了研究铝质蜂窝纸板的振动和噪声特性,把一单元的蜂窝纸板处理成正交异性的铁摩辛可梁,利用两种优化的方法得到单元的刚性,然后利用有限元的方法研究蜂窝铝板的动态特性。

总结对于国内外的研究状况,瓦楞纸板的静态研究相对成熟,但是利用参数化研究,最终提出屈曲的优化方法还比较缺乏。蜂窝纸板国内的实验研究相对比较多,面内侧压的研究还没涉及,而国外的研究主要是蜂窝结构在航空航天,汽车工业以及防震等领域的应用,缺乏作为包装材料的蜂窝纸板研究,这些对我们研究复合纸板会有所帮助。

2 今后的研究任务

复合纸板将来的研究主要从试验,数值计算以及理论分析这3个手段入手,解决以下两个方面的问题:

1)复合纸板静力学稳定性问题的研究。试验获得复合结构材料的本构关系,利用数值或者试验的方法进行复合结构的参数化研究,建立起瓦楞纸板和蜂窝纸板局部屈曲和整体屈曲的理论体系,提出后屈曲的理论模型,并且把理论结果与有限元的数值分析结果和试验结果进行比较,从而保证理论模型的合理性。根据屈曲理论提出瓦楞纸板和蜂窝纸板的优化设计方法。

2)复合纸板动力学缓:中性能的研究。主要研究蜂窝纸板在外激振动或者是;中击下的响应。由于纸是一种粘弹性材料,材料结构比较复杂,本构关系一般处理为沿着纤维方向和垂直纤维方向的正交异性材料。要通过实验的方法精细地获得纸的应力应变曲线。然后建立起蜂窝纸板的有限元模型,研究其在不同频率的正弦激励条件下的响应以及加速度传递,绘制其不同衰减系数。并与试验研究进行对比。利用有限元的计算结果拟合蜂窝纸板缓冲性能的弹簧阻尼模型,建立起蜂窝纸板结构参数和弹簧阻尼模型各参数的函数关系,以便于工程实际的应用。

3 结 语

本文全面回顾了国内外瓦楞纸板和蜂窝纸板力学性能的研究状况。认为复合纸板的力学性能研究主要集中在静态结构稳定性研究和动态缓;中性能研究两方面。并提出了今后的研究任务和方向。

(作者/赵振 陈黎敏 北京印刷学院)

《包装工程》

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