（机械设计及理论专业论文）蜂窝纸板特性的研究及应用.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 本论文主要研究一种成本低、易回收、可再生，且是一种节能、环保的新型 的包装材料蜂窝纸板。蜂窝纸板可以应用于包装业、建材业、家具业等。 在认真地调研了蜂窝纸板的生产及应用现状，了解到蜂窝纸板生产中的一些 工艺及存在的问题，结合我国包装工业的现状，认识到研究蜂窝纸板以及开发它 的应用的必要性和紧迫性。 根据高分子材料的力学性能，分析了蜂窝纸板的耗能机理，利用流变学观点 分析了蜂窝纸板的缓冲及防振性能，为深入研究蜂窝纸板作了良好的铺垫。利用 复合材料力学理论，深入分析了蜂窝纸板的力学性能和弹性性能，并用弹性体的 缓冲理论解释蜂窝纸板的缓冲机理。 利用振动测试知识，解释了振动测试仪器的测试原理并合理选择试验仪器。 利用动力学知识，解释了跌落冲击试验机的测试原理并合理的进行了试验。根据 高分子材料性能理论和物理学理论预测蜂窝纸板的应力应变曲线，并通过实验验 证，并根据数据记录结合缓冲系数的计算方法，得到缓冲系数应变曲线，为包装 设计提供依据。 根据国内电子产品包装市场的需求，设计不同结构的蜂窝纸板组合，对电脑 主机进行缓冲包装设计，并进行跌落缓冲试验，获得可以替代e p e 缓冲包装的设 计方案，为蜂窝纸板的进一步推广提供了有效适用的依据。 蜂窝纸板的制作即使是在同一条件下进行也会有很大的差异。在试验中可以 看到，试验的纸板虽然是同样的材料制作而成，但是，由于蜂窝纸板的面纸与芯 纸的粘合或者蜂窝纸板的烘干等在蜂窝纸板的制作过程中的差异，在试验中，试 验结果就会有相当的差异，所以同种尺寸结构的蜂窝纸板一般是多次试验取平均 值。 关键词：蜂窝纸板，缓冲系数，防振，应力，应变 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t n i sp a p e rs t u d i e sal o w c o s t ，e a s yr e c y c l i n g ，r e n e w a b l en e wp a c k a g i n gm a t e r i a l sw h i c hi sak i n do fe n e r g y - s a v i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n h o n e y c o m bp a p e r b o a r d h o n e y c o m bp a p e r b o a r dc a r lb eu s e di np a c k a g i n gi n d u s t r y , b u i l d i n gm a t e r i a l si n d u s t r y a n df u m i t u r ei n d u s t r y a f t e l s e r i o u sr e s e a r c hi nt h eh o n e y c o m bp a p e r b o a r dp r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o no ft h es t a t u sq u o il e a r nh o n e y c o m bp a p e r b o a r d p r o d u c t i o np r o c e s sa n ds o m eo ft h ep r o b l e m sw i t ht h es t a t u sq u oo fc h i n a sp a c k a g i n gi n d u s t r y ，a n dir e c o g n i z et h a ti t sv e r yn e c e s s a r ya n du r g e n tt or e s e a r c hh o n e y c o m bp a p e r b o a r da n dt h ed e v e l o p m e n to fi t sa p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp o l y m e r i cm a t e r i a l s ia n a l y z et h e e n e r g yo ft h eh o n e y c o m bp a p e r b o a r d a n d u s er h e o l o g i c a lp o i n to ft h eb u f r e rh o n e y c o m bp a p e r b o a r da n da n t i v i b r a t i o np e r f o r m a n c e w h i c hc a nb ea sag o o di n d e p t hs t u d yo fh o n e y c o m bp a p e r b o a r da n dp a v i n gt h ew a y iu s ec o m p o s i t em a t e r i a l sm e c h a n i c st od e e p l y a n a l y z et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh o n e y c o m bp a p e r b o a r da n df l e x i b l ep e r f o r m a n c ea n df l e x i b i l i t yo fu s i n gt h et h e o r yt oe x p l a i n h o n e y c o m bp a p e r b o a r db u 艉rm e c h a n i s m iu s et h ev i b r a t i o nt e s t i n gk n o w l e d g et oe x p l a i nt h et e s t i n gp r i n c i p i eo ft h e v i b r a t i o nt e s te q u i p m e n ta n dr a t i o n a l yc h o o s et h et e s te q u i p m e n t a n du s et h ek i n e t i c so fk n o w l e d g et oe x p l a i nt h ed r o p i m p a c tt e s ta n dt h et e s t i n gp r i n c i p l eo f ar e a s o n a b l et e s t a c c o r d i n gt op o l y m e rp h y s i c sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，it a k ea t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no nh o n e y c o m bp a p e r b o a r ds t r e s s s t r a i nc u r v e a n dt h r o u g he x p e r i m e n t sa n dt h ed a t ar e c o r d e dw i mt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gc o e m c i e n t ic a ng e tt h ec o e f f i c i e n t - s t r a i uc u r v e sf o rp a c k a g i n gd e s i g n a c c o r d i n gt ot l l ed o m e s t i ce l e c t r o n i cp a c k a g i n gn e e d so ft h em a r k e t id e s i g n t h ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o n a ls t r u c t u r eo fh o n e y c o m bp a p e r b o a r d ，t h e nd e s i g nc u s h i o np a c k a g i n gb u f f e rf o ram a i n f r a t n ec o m p u t e rt od od r o pt e s t sa n do b t a i na l t e m a t i v ee p ec u s h i o np a c k a g i n gd e s i g no p t i o n sf o rt h ef u r t h e rp r o m o t i o no fh o n e y c o m bp a p e r b o a r di nt h em a r k e t h o n e y c o m bp a p e r b o a r dp r o d u c t i o ne v e nu n d e rt h es a n l ec o n d i t i o n sw i l lh a v e g r e a td i f f e r e n c e s i nt h ee x p e r i m e n t ，w ec a ns e e ，a l t h o u 毋1t e s t sc a r d b o a r dp r o d u c e db yt h es a m em a t e r i a l ，h o w e v e r o w i n gt oa d h e s i v ea n dd r y i n gt h ec o r ep a p e ra n d 血ef a c ep a p e ri np r o c e s so fh o n e y c o m bp a p e r b o a r dp r o d u c t i o n t h et e s tr e s u i t sw o u l dh a v ec o n s i d e r a b l ed i f f e r e n c e s s of o rt h es a m ek i n do fs t r u c t u r ea n ds i z eh o n e y c o m bp a p e r b o a r d w ew i l lr e p e a tt h et e s t sf o rs e v e r a lt i m e sa n dg e tt h e a v e r a g ef o r t h ef i n a ld a t a k e y w o r d s ：h o n e y c o m bp a p e r b o a r d ，b u f f e rc o e f f i c i e n t ，a n t i - v i b r a t i o n ，s 自r e s s ，s t r a i n 诹i l 童工繁火秀 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：涂7 魁 日期：协3 年岁月厝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，印：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：谢一舛 日期：撕罄f5 月j ，日 指导教师始闰缶捉 日期：球年j 月哆日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 蜂窝纸板概述 第1 章引言 科学家研究发现，蜜蜂所做的六角六面状窝是一个杰作，它以最少的材料消 耗，构筑成极为坚固的蜂窝，其结构要比其他任何形状的结构更强有力。因为这 种多墙面的排列和一系列连续的蜂窝形的网状结构，可以分散承担来自各方的外 力，使得蜂窝结构对挤压力的抵抗，比圆形或正方形要高得多。科学家对蜂窝结 构的研究，给人们的启迪是，即使非常纤薄的材料，只要把它制成蜂窝形状，就 能够承受很大的压力【l “。蜂窝板一般分金属和非金属两大类。金属类蜂窝板主要 适用于飞机制造业、汽轮机制造业、船舶制造业、交通运输业等。非金属类蜂窝 板又分纤维类和纸类。纤维类蜂窝板主要用于交通运输业、室内装饰业以及家具 业等：纸类蜂窝板主要用于包装业、建材业、家具业等。包装业用的纸类蜂窝板， 即蜂窝纸板，主要用于制作包装箱及运输包装。蜂窝纸板是1 9 9 3 年列入世界1 0 0 项 新技术、新产品。在我国虽于近年才问世，但却立刻受到人们的广泛关注和欢迎。 究其原因，就是因为这种纸质新材料，具有诸多优异性能和优点：材质消耗少、 强度和刚度大、重量轻。经科学研究论证，蜂窝结构的几何图形形成整体恰似拱 桥，从而使面上的抗压强度提高了1 0 0 倍。蜂窝纸板采用蜂窝结构，因而也是同样 以最少的材质消耗，获得了大的容积和最大的强度、刚度。 蜂窝纸板是利用仿生力学结构，根据蜂窝格六边形结构的受力原理而成的夹 层材料。蜂窝纸板的结构为上下两层面纸( 或纸板) ，中间为蜂窝状的芯纸，用一 图1 1 蜂窝纸板结构 定的粘合剂将芯纸粘合，定型、干燥后形成三层结构( 如图1 1 ) ，这一点与单瓦 湖北工业大学硕士学位论文 楞纸板结构相似。蜂窝纸板的厚度变化主要靠增加或减少蜂窝芯纸的厚度束实现。 结构始终保持三层，其厚度可以在5 9 0 m k 间变化，而不像瓦楞纸板要靠增加瓦 楞的层数来增厚度。蜂窝纸板夹芯柱孔的尺寸可以变化，它的变化也可改变蜂窝 纸板的强度，这一点与瓦楞纸板相比也有区别。蜂窝纸板的结构决定了它的特性， 即质轻，受压均匀，抗压、抗弯、抗剪强度高，具有良好的缓冲隔振性能，成本 低，且易回收，可再生，是一种致力于绿色、节能、环保、高科技的新型包装材 料。因此它具有许多突出的优点，如下所示嘲。 ( 1 ) 材质消耗少，强度和刚度大，质量轻，承重大。经科学研究论证，蜂窝 的几何结构，彤成整体恰似拱桥的结构，从而使面上的抗压强度提高了1 0 0 倍。蜂 窝纸板采用蜂窝结构，因而也同样以最少的材质消耗，获得最大的容积和最大的 强度、刚度。在纸材消耗相同的情况下，比瓦楞纸板要高出几十倍。芯状结构使 蜂窝纸板重量很轻，其密度可+ n o 0 2 4 9 c m 3 ，接近e p e ( 可发性聚苯乙烯泡沫塑 料) ，仅为水的几十分之一。 ( 2 ) 优异的缓冲隔振功能。蜂窝纸板为芯状结构，疏密程度不同，其弹性变 化范围很大，因此具有优异的缓冲隔振性能，接近于e p e ，但不污染环境。良好的 隔热、隔音性能。蜂窝芯的蜂窝孔为密闭结构，其中充满空气而互不流通。因此 具有良好的隔热、隔音性能。这对其用于建筑特别有利。 ( 3 ) 强度、刚度易于调节。改变芯纸的厚度、克重或改变蜂窝芯的孔径、芯 柱高度，蜂窝纸板即可获得不同的强度和刚度。因此，强度和刚度很容易调节， 对应用十分有利。易于进行特殊的工艺处理而获得独特的功能。蜂窝纸板是全纸 质材料，易于进行特殊工艺处理而获得防水、阻燃、防霉、固化增强等特殊性能， 这也是蜂窝纸板能够推广应用的原因之一。 ( 4 ) 各向同性，而且稳定性好。蜂窝结构系应用密加筋方式加固，因而在任 何方向性能一致， ( 5 ) 成本低、价格廉。蜂窝纸板消耗材质少，纸芯还可以采用再生纸，因此 成本低、价格廉。普通2 0 n u n 厚的蜂窝纸板，其生产成本在6 元m 2 左右。出口无 需熏蒸，可以免检疫。蜂窝纸板由于在生产过程中经过红外线烘干或微波烘干， 相当于进行了消毒灭菌处理，所以出口无需熏蒸，可以免防疫处理和免检疫。 ( 6 ) 环保型产品。蜂窝纸板在生产过程中无污染，又能回收再生，也易于废 弃处理。因此蜂窝纸板可取代部分木制品。 虽然蜂窝纸板有上述各种优点，但也存在一些缺点，比如耐破性能、耐折性 能、耐戳穿性能等较差，这就限制了其在某些方面的应用。 2 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 蜂窝纸板成型原理 蜂窝纸板制作工艺( 指粘结成型工艺) 有三种形式：( 1 ) 单机作业式：( 2 ) 机 组作业式；( 3 ) 生产联动线式即生产线。 蜂窝纸板生产线由两部分组成的。第一部分是制造蜂窝状六角形结构纸芯的 机组，属前道工序，纸的质量、规格、形状是蜂窝产品的基础，首先要得到保证。 第二部分是对纸芯进行上下层复合纸板的机组，属后道工序，后加工的质量，水 平是保证蜂窝制品质量的重要环节。 蜂窝纸板全部生产工序是：( 1 ) 制芯：有缠绕层叠式、纸条对接式、连续纸条 式( 2 ) 上胶：有喷胶法、涂胶法、全幅面涂胶法；( 3 ) 拉伸：有限宽拉伸、差速拉 伸、差速和限宽相结合式、横向拉伸；( 4 ) 复合：有面上涂胶复合、楞上涂胶复合； ( 5 ) 压实：有压力机压实、挤压实、辊压实、；( 6 ) 切条：有切纸机切条、圆刀分 切、单冲刀切条；( 7 ) 拼接：有人工拼接、半自动拼接、自动拼接( 芯条对接，纸条 拼粘) ；( 8 ) 加热干燥：有电加热、蒸汽加热、导热油加热：( 9 ) 纵横切：有计算机 控制、工作程序控制；( 1 0 ) 特殊处理：有打毛处理、排气处理、增加接触面处理【2 】。 下面是纸芯的成型原理： 在一张纸条的一侧沿纸条长度的垂直方向上涂上节距( t ) 相等、宽度( b ) 相等 的若干条胶线，且节距是胶线宽度的4 倍，t = 4 b 。同样，在另外一纸条上也涂上相 同的胶线，然后将这两条纸条错位复合，即形成一个正六边的蜂窝结构。错位粘 接复合是指将第二条纸的胶线准确的粘接在第一条纸条的两条胶线间距的正中位 置的反面。称为错位上胶( 见图1 2 ) 。 当若干条涂好胶线的纸条依次错位并粘接复合后，再把纸条横向拉开至均匀， 这样若干个正六边形蜂窝就会呈现在我们面前。当改变胶线的宽度和节距时( t 4 b ) ，蜂窝就会变成其它形状的蜂窝，如菱形蜂窝。当改变孔径即蜂窝内切圆直径 时，可以过胶粘剂上下复合到蜂窝纸芯上而形j 获得不同大小的蜂窝结构。在实 际生产中同等原材料情况下，一般大蜂窝孔径的纸芯容易拉伸，生产速度可以提 高，但是蜂窝孔径大，蜂窝纸板的平压强度会降低【1 2 1 。 广1 图1 2 错位上胶理论 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 蜂窝纸板的物理性能参数 蜂窝纸板的物理性能主要包括定量、厚度、紧度、物理强度( 包括抗张 强度、耐破度、撕裂度、戳穿强度、耐折度、环压强度、伸长率等等) 、伸 缩率、挺度、透气度、柔软性等等。 ( 1 ) 定量 定量是指每平方米的纸的质量( 克) 数，即以g m2 为单位表示。定量 是纸最基本的一项重要指标。纸的一般的物理性能( 如抗张强度、耐破度、 撕裂度等) 都与定量有关。纸的定量是蜂窝纸板在原材料选取中首先要考虑 的问题。纸的定量越高，纸板的强度就越好，而纸芯在生产中就越不好拉开； 反之纸芯拉开容易，但纸板的强度就随之降低。所以在实际应用中，不是定 量越低越好，也不是定量越高越好，而应根据实际情况来选取。 ( 2 ) 厚度 厚度是指纸和纸板等材料两侧压板问规定压力下直接测量的结果，单位 是m m 。厚度是影响纸或纸板技术性能的一项关键指标。 ( 3 ) 挺度 挺度是指在定条件下弯曲3 8 r a m 宽的纸板至1 5 0 时的弯矩。单位是 m n m 。挺度是代表抗弯曲的能力，是蜂窝纸板的一项重要物理性能指标。 ( 4 ) 抗张强度 抗张强度是指在标准实验方法规定的条件下，单位宽度在拉伸载荷作用 下断裂前能承受的最大张力。 j ：兰( 2 1 ) 曰 式中s 是抗张强度，是平均张力( 单位：n ) b 是试样宽度( 单位：m ) ( 5 ) 平压强度 平压强度是指蜂窝纸板成型后，在压缩仪上在一定的条件下进1jm 缩， 直到蜂窝压溃所承受的最大的应力。影响平压强度的因素很多，但主要影响 因素有蜂窝纸板的孔径，厚度，以及容重。 ( 6 ) 弹性模量 纸是从悬浮液中将植物纤维、矿物纤维、动物纤维、化学纤维或这些纤 维的混合物沉淀到适当地成型设备上经干燥制成的均匀薄片。由于造纸机成 形的纸都有一定的方向性，与造纸机运行方向平行的方向为纵向( 即纤维方 向) ，与造纸机运行方向垂直的方向为横向( 即垂直于纤维的方向) 。所以纸 4 湖北工业大学硕士学位论文 为正交各向异性的材料。现分别测试纸在纵、横两个方向的弹性模量。 根据挺度仪的工作原理，试样受小辊推力f 作用时就相当于悬臂梁受载 荷作用。这样，我们就能够通过测量纸的挺度进而求出纸的弹性模量。根据 d r 3 弹性模量的计算公式： e = 等， j 0 1 l f 3 式中p = f 、l = r 、j = ，秽= r t g l 5 。，i = 鲁，则： e = = f r 3 = 嵩 3 r t g l 5 0 , b l t 2 3 缈矿 ( 2 - 2 ) 根据挺度的定义有：s = m = f ，而挺度的计算公式为：s = g f 。其 中g 为正反向弯曲1 5 0 角时的读数平均值，厂为砝码系数。此处使用的砝码形 = 0 0 4 9 牛，砝码系数厂：0 5 。 所以有 f r = g f ( 2 - 3 ) 将式2 3 代入式2 2 得： e ：兰：堡：!( 2 4 ) 培1 5 0 酏 ( 7 ) 环压强度 它是一个1 2 7 m m 高、周长1 5 2 m m 的纸环被加压至压溃时所需要的力， 它对蜂窝产品的耐压性能影响最大，显而易见，环压强度越高，则蜂窝纸板 的平压强度就越高，其承载能力也就越高。通常蜂窝纸芯的环压强度在4 4 n - m 儋5 5n m g 之间，而面纸的环压强度在6 5n m g 左右。另外，蜂窝 纸板的平压强度与蜂窝纸芯的高度有关，一般蜂窝纸板的平压强度随着蜂窝 纸板厚度的增加而呈缓慢下降的趋势，而它的缓冲性能则随之增加，对于这 一点我们经常容易搞反，这一点也是蜂窝纸板在缓冲性能和支持性能上的差 别，即存在着平压强度和缓冲强度的矛盾。 1 4 蜂窝纸板与其它缓冲材料比较陋1 9 2 0 】 ( 1 ) 蜂窝纸板与瓦楞纸板 在重量上相比，蜂窝纸板具有重量轻的优点，其重量是同面积瓦楞纸板 的7 0 ；在强度上，蜂窝纸板因其独特的结构，具有较强的抗压、抗折及隔 音能力，1 0 m m 厚的蜂窝纸板的抗压强度是瓦楞纸板的2 7 5 6 倍，抗折强度是 5 湖北工业大学硕士学位论文 五层瓦楞纸板横向强度的2 倍，是纵向强度的2 9 2 倍：在成本上，蜂窝纸板比 瓦楞纸板用材少，同时可采用廉价的再生纸、草浆纸生产，原料成本仅为同 规格的瓦楞纸板的三分之二，而且蜂窝纸板制作的纸箱比瓦楞纸箱破损率减 少2 0 2 5 倍，大幅的减少了运输包装费用。 表1 1 蜂窝纸板与瓦楞纸板力学性能对比 厚度 每平方米重量抗压强度抗压挠度( 载荷1 k g ) 下陷高度 名称 g 时 t m 初始高加压后高度m i l l 蜂窝纸板 1 0 98 3 65 - - 1 8 91 7 51 7 50 蜂窝纸板2 0 41 0 2 05 1 8 91 7 51 7 2o 3 横向1 7 5 1 6 9o 6 五层瓦楞纸板 5 11 2 0 5o 2 5 纵向1 7 5 1 7 50 表1 2 不同材质包装箱滚动试验记录 名称规格内装物滚动次数破损数量 五层瓦楞纸箱5 6 0 x 3 4 0 x 2 3 0内装5 0 0 沙子的玻璃瓶1 8 个1 2 次 5 个 术箱 5 6 0 x 3 4 0 x 2 3 0 内装5 0 0 沙子的玻璃瓶1 8 个 3 1 次1 个 蜂窝纸箱5 6 0 x 3 4 0 x 2 3 0内装5 0 0 沙子的玻璃瓶1 8 个6 3 次 1 个 表1 3 不同材质包装破坏性试验记录 名称规格m内装物滚动次数 破损数量 五层瓦楞纸箱 5 6 0 x 3 4 0 x 2 3 0 内装5 0 0 沙子的玻璃瓶1 8 个1 2 次 5 个 木箱5 6 0 x 3 4 0 x 2 3 0内装5 0 0 沙子的玻璃瓶1 8 个3 1 次1 个 蜂窝纸箱5 6 0 x 3 4 0 x 2 3 0内装5 0 0 沙子的玻璃瓶1 8 个6 3 次1 个 从上表可知，在材料种类和耗材量相同的情况下，蜂窝纸板在平压强度方面 远大于瓦楞纸板，随着孔径的增大而减小；在弯曲强度方面大于瓦楞纸板，随着 孔径的增大而增大；在剥离强度方面大于瓦楞纸板，随着孔径的减小而增大，而 6 湖北工业大学硕士学位论文 蜂窝纸板在侧压强度方面随着孔径的增大而减小，而瓦楞纸板的侧压强度远大于 蜂窝纸板，但侧向侧压强度低于蜂窝纸板：在戳穿强度方面比较接近。但是我们 也可看到，瓦楞纸板的发展己到极限，市场己趋于饱和，竞争极其激烈，而蜂窝 纸板的市场应用前景广阔，还有很多优良特征有待发掘，改进。 ( 2 ) 蜂窝纸板与泡沫塑料 泡沫塑料属于一种软而韧的材料，在很低的应力下就可以达到材料的屈服， 刚度较差，在较小的外力下，泡沫塑料还可以对产品起到缓冲的作用，但在外力 较大的情况下，泡沫塑料具有的缓冲性能比蜂窝纸板差，且很容易达到其屈服极 限，而是泡沫塑料对环境的污染也是不可忽视的，虽然己经研究出可以降解的塑 料，但是价格昂贵，处理的条件要求苛刻，存在技术壁垒，而且降解不够完全， 导致它的推广应用也受到了很大的限制。而作为纸制品的蜂窝纸板属于绿色包装 材料，可回收再生，处理容易，具有很好的发展前景。 ( 3 ) 蜂窝纸板与其它新型缓冲包装材料 各种新型缓冲包装材料( 可降解塑料，纸浆模塑，植物纤维等) ，尽管缓冲性 能优良，甚至在很多方面超越了蜂窝纸板，且都属于绿色环保材料，但是，他们 的生产技术不成熟，生产专利都掌握在极少数企业那里，因此，生产成本很高， 不利于其大力推广和应用。相比之下，在目前，蜂窝纸板更具有优势。 1 5 蜂窝纸板的国内外研究现状 人们对蜂窝材料的研究主要集中在用于航空、航天、建筑等领域的金属蜂窝 方面，而对于无污染、结构新颖、承重量大、成本低、弹性好且具有良好的缓冲 性能的纸蜂窝材料的研究较少。到目前为止，蜂窝纸板缓冲性能的研究很多是应 用万能材料实验机测试蜂窝纸板静态压缩下的应力应变曲线或利用冲击实验测试 蜂窝纸板的动态压缩下的应力应变曲线，以这些曲线来分析所测材料的性能，作 为缓冲包装设计的依据。但对蜂窝纸板的缓冲机理并不十分清楚。 在过去的几十年里，国外许多学者研究了蜂窝夹层板的力学性能。0 1 et h y b o t h o m s e n 等指出对于蜂窝型板结构，在局部单元屈曲的情况下，以前的局部边界 条件已经不合适，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，通过实验观察提出一种耨的与侧面内在和屈曲的方法，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 o h n od o k u m u r a 和h n o g u c h i 建立起蜂窝结构失稳时l a g r a n g i a n 形式的优先变形均质化理论，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。理论的结果符合以前试 7 湖北工业大学硕士学位论文 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。s t e i na b e r g g r e n 等论述了方形蜂窝结构作为符合结构的面内刚度性质的理论，基于此种理论然后 使用有限元方法用于优化方形网格的棱柱方位。国外的蜂窝结构的研究很多。w o o y o u n gj u n g ，a m j a dj a r e f 介绍了一种新型的防震系统，有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问下的动态响应， 同时给出了有限元模型，这种模型考虑了不同温度和不同输入频率的影响，并与 试验结果进行了比较。c h u n gj $ 口w a a s a a m 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 试验的圆型单元蜂窝结构，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3 d 有限元方法对这一蜂窝防护结构的静念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 h o n i g 和w j s t r o n g e 研究了高速冲击下压缩波对蜂窝结构压 溃的影响。t s a i t oe t c 为了研究铝质蜂窝板的振动和噪声特性，把一元的蜂窝 纸板处理成j 下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。 国内的研究也有不少。郭彦峰，许文才和王梅等的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届曲的公式，并结合试验，认为这种理论得到的结果比弹 性屈曲理论得到的结果更符合试验结果。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冲防振性能，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、传递率阻尼比，为蜂窝纸 板在缓冲包装中的推广应用提供了基本数据。张峻岭，毛中彦针不同厚度的蜂窝 纸板在j 下弦变频振动测试中的加速度传递，绘制其不同衰减稀疏的振动传递率曲 线。郭彦峰，许文才，张景绘等研究了蜂窝纸板的静压特性，蠕变及回复特性及 缓冲特性，建立了蜂窝纸板的分析模型，指出其具有优良力学，缓冲性能及具有 显著粘塑性特征。曾克俭，吕翔通过对几种蜂窝纸板的可比性试验，分别得出其 强度值，在此基础上，对试验数据加以分析及处理，做出了综合性能二维曲线， 从理论和试验上得出了蜂窝纸板具有的优势以及综合性能最优时的厚度和内径。 湖北工业大学硕士学位论文 张亚萍，卢立信，蔡和平等通过对蜂窝纸芯和纸板平压强度的测试，分析了孔径 比、厚度对蜂窝纸芯平压强度的影响以及纸芯和纸板平压强度的差异，探讨了生 产工艺对蜂窝纸板平压强度的影响。潘道津，罗棚，温芮通过静态压缩实验与动 态压缩实验，探讨了蜂窝纸板不同方向上的缓冲性能。 1 6 本课题研究的主要研究任务 本课题主要研究以下内容： ( 1 ) 根据高分子材料的力学性能，分析了蜂窝纸板的耗能机理，利用流变学 观点分析了蜂窝纸板的缓冲及防振性能，为深入研究蜂窝纸板作了良好的铺垫。 利用复合材料力学理论，深入分析了蜂窝纸板的力学性能和弹性性能，并用弹性 体的缓冲理论解释蜂窝纸板的缓冲机理。 ( 2 ) 利用振动测试知识，解释了振动测试仪器的测试原理并合理选择试验仪 器。利用动力学知识，解释了跌落冲击试验机的测试原理并合理的进行了试验。 根据高分子材料性能理论和物理学理论预测蜂窝纸板的应力一应变曲线，并通过实 验验证，并根据数据记录结合缓冲系数的计算方法，得到缓冲系数城变曲线，为 包装设计提供依据。 ( 3 ) 根据国内电子产品包装市场的需求，设计不同结构的蜂窝纸板组合，对 电脑主机进行缓冲包装设计，并进行跌落缓冲试验，获得可以替代e p e 缓冲包装 的设计方案，从而为企业提供较好的参考依据，使蜂窝纸板的应用的到更进一步 的发展，利国利民。 9 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章蜂窝纸板的压缩模型分析 2 1 蜂窝纸板压缩力学模型简化和特性分析 本节首先对蜂窝纸板进行模型简化，然后通过对不同蜂窝纸板大量的试验分 析，将蜂窝纸板的压缩特性归结如下：( 1 ) 蜂窝纸板的准静态压缩变形过程可以分 为4 个阶段：线弹性阶段，弹塑性阶段，塑性坍塌阶段，密实化阶段。根据物理 学和动力学知识，再结合一般蜂窝纸板受压时的一般曲线，从实际情况上分析蜂 窝纸板在受压时各个阶段的特性，理论分析和实际情况完好的相符。 2 1 1 模型简化 为了研究蜂窝纸板的压缩力学模型，首先要对蜂窝纸板的受力模型加以简化。 由于蜂窝纸板面纸厚度相对于蜂窝纸板的厚度很薄，可以看成是薄膜，所以通常 将蜂窝纸板的轴向压缩简化为纸蜂窝芯( 在此研究正六边形的纸蜂窝芯，它由4 个单层壁板和2 个双层壁板组成) 的面外受载。 2 1 2 特性分析 通过对不同蜂窝纸板大量的试验分析，将蜂窝纸板的压缩特性归结如下：( 1 ) 蜂窝纸板的准静态压缩变形过程可以分为4 个阶段：线弹性阶段，弹塑性阶段， 塑性坍塌阶段，密实化阶段。具体表现为：首先以线弹性的方式发生变形，然后 蜂窝孔产生弹性屈曲，导致非线弹性，在应力应变曲线中表现出一个弹性屈曲应 力峰值，继而产生塑性坍塌，表现为一段较长的近似的平台区，最后，孔穴完全 坍塌破坏，且随着蜂窝孔壁压在一起，其应力急剧上升 1 3 - 1 4 l 。( 2 ) 蜂窝纸板的压 缩性能与其材质及结构关系很大，影响蜂窝纸板压缩性能的因素主要有：蜂窝原 纸的材质，厚度，蜂窝纸板的厚度，纸蜂窝芯的边长等，因此，在模型建立的过 程中着重从上述几个因素考虑。 如下图2 1 所示：i 线弹性阶段( 应力从0 到a r p ) ，弹塑性阶段( 应力从盯， 到盯。) ；i i 塑性坍塌阶段；i i i 密实化阶段。 i o 湖北工业大学硕士学位论文 iil ；l l l 口ii 骚l 一 l i i i l ， l 一 、 、 l i 图2 1 应力应变曲线 2 1 3 蜂窝纸板静态压缩本构模型的建立 下列模型中所用到的符号给与定义如下： 盯为蜂窝纸板压缩过程中所受到的应力；占为蜂窝纸板压缩过程中产生的应变 量；e 为纸蜂窝芯的法向杨氏模量；e 为由承载截面面积计量的固体模量：匕为 蜂窝原纸的泊松比；t 为纸蜂窝单层壁板的厚度；，为纸蜂窝单层壁板的边长；h 为 纸蜂窝双层壁板的边长；日为纸蜂窝芯的高度；口为纸蜂窝单层壁板与双层壁板 之间的夹角与9 0 。之差；盯。为纸蜂窝芯弹性屈曲临界应力；仃。为纸蜂窝芯塑性屈 曲坍塌应力；仃。为蜂窝原纸的屈服应力；s 。为蜂窝纸板压缩进入密实化区的应变 量；为蜂窝纸板压缩密实化应变量：p 为纸蜂窝芯的密度；岛为制作纸蜂窝 芯的蜂窝芯的蜂窝原纸的密度；d ，m 为纸蜂窝芯密实化参数。 ( 1 ) a 线弹性区 在线弹性区，蜂窝纸板的应力应变曲线可由式 盯= 联s ( 2 1 ) 得出纸蜂窝芯的法向杨氏模量藏由承载截面面积计量的蜂窝原纸的纵向弹性 模量f ，表示为： 堕： ! 业 ( 2 2 ) e 。、，。( z + s i n o ) e o s o 所以在线弹性区内，标准化的应力应变表达式可记为： 湖北工业大学硕士学位论文 暑= ( ) t 丽i l + h 历l 面占 ( 2 - 3 ) 对于正六边形，h = l ，口= 3 0 。，标准化的应力应变表达式可简化为： 詈- 1 5 4 ( 争 ( 2 舢 e f 因为蜂窝壁板的弹性屈曲在蜂窝纸板的压缩变形中只占微小的一部分， 所以将其简化为线弹性区同样的模型，当线弹性应力等于弹性屈曲临界载荷 时，在应力应变曲线中表现出一个弹性屈曲应力峰值。屈曲临界载荷可以借助于 矩形板的屈曲理论来求解。 将纸蜂窝壁板简化为一个四边简支单向受压的矩形薄板，并将蜂窝壁板的屈 曲看作小挠度问题，其屈曲控制方程是： 删矿= 只警+ 2 墨笔+ 。等 ( 2 - 5 ) 以只受压方向为正，且取只= b = o 代入方程2 5 得到这一问题的屈曲控制 方程： d v 4 矿+ 只孥：o ( 2 - 6 ) 其边界条件为： 厂x = 0 , h ：形= 罟= o l y = o ，：= 警= o 协， 假定蜂窝壁板屈曲后的位移模式为： 肚薹言厶s i n 争i n 罕(2-s)im 5n j 其中1 1 1 n 分别为沿x y 方向屈曲的半波数。 将2 7 和2 8 代入式2 6 ，得单层蜂窝纸板的屈曲临界应力盯。为： 旷毒( m + 一1 _ ) h 2 - - s i n 2 陋9 ) 盯对2 函而忡+ 一丁r j 从蜂窝纸板的压缩过程可以看出，蜂窝壁板沿x 方向屈曲的半波数近似为2 h ! 的取整结果。q 。的值随着日，值得增大呈锯齿状增减，这种趋势越来越弱，当 h i 2 时，盯。基本上不随日珀q 增大而变化。同理，双层蜂窝纸板所受的屈曲 临界应力o x ，为： 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 = 未o n , l 争2 ( 2 - 0 ) 2 甭育磊斛一_ ) 侣1 唧 驴鼍净= 孤2 蕊t r j t t l 而+ t r x 2 2th(2-11 ) 其中：己，只：分别为单层蜂窝纸板和双层蜂窝壁板承压得临界载荷值；s 为 6 c r 一3 1 6 t3 ( m + l m h j 二2 ) 2 詈e2 h 希1 ，2 ( 一1 ，；) ， ”7 令仃= 盯。，将2 - 1 2 代入2 - 4 中得： 2 0 6 t 2 ( m + 三嬖) 2 仁而尚 。1 3 ) “s 鲁c 尹 p e 。e ，、l 。 、。 昔云等 p 均 e |e ，e l 。 ( 2 ) 塑性坍塌区( 平台区) 塑性坍塌区表现为以蜂窝壁板的塑性坍塌为主的持续压溃模式，压溃载 荷随压缩应变得增大呈一定规律性的上下稍有波动，直至蜂窝壁板几乎完全坍塌 以致于所有相对的蜂窝壁面接触。在蜂窝纸板压缩应力应变图中，塑性坍塌区表 现为一段很长的近似平台区，该平台区的平应力即为塑性坍塌应力o r ，其边界条 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 件为： 2 0 6 t 2 洄+ 一1 了h 2 ) 2 丽高产细钒 其中： t = 哪一寺 ( 2 1 6 ) f 2 - 1 7 ) ( 3 ) 密实化区 此时随着蜂窝纸板胞壁之间互相挤压，纸板本身几乎失去弹性，其压缩应力 随着应变得增加迅速增大。当纸蜂窝芯压缩过程中的瞬时相对密度达到0 5 左右 时，压缩应变达到密实化应变，其中： 等= t 丽篇南 ( 2 1 8 ) 不难推出，纸蜂窝芯经历压缩后的瞬时相对密度为： 盟：( 土) ( 2 - 1 9 ) p sp | 1 一e 所以瞬时相对密度为0 5 时的纸蜂窝芯的应变量为： = 1 _ l o 5p - - 口= 1 _ 3 0 8 ； ( 2 _ 2 0 ) 当蜂窝纸板的应变量达到密实化应变量后，其压应力几乎呈竖直上升状 态。 2 2 蜂窝纸板缓冲机理 本节根据弹塑性力学、物理学、高分子材料学的知识，从理论上，分析了蜂窝 纸板的受力时应力应变的对应关系，从理论上对单个蜂窝纸板的受力变形进行证 明，这为静态压缩试验和后面的动态冲击试验提供了很好的理论依据。 2 2 1 蜂窝纸板的流变学性能 蜂窝纸板的主要成分是纸张，加之构成纸张的填料和胶料，它们又各有不同 的物理属性，从而使纸张的力学特性既不同子弹性物体或塑性物体，又不同于理 想的流体。当纸张受力变形时，既会呈现弹性变形的某些特征，又会呈现流体的 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 粘性，称之为粘弹性现象。按流变学观点，纸缓冲材料具有粘弹塑性。也就是说， 它可以假定是由弹性，粘性，塑性三要素所构成的物质。蜂窝纸板作为一种缓冲 包装材料，是包装物品在流通过程中受到外力的作用而遭到冲击和振动时，能吸 收外力产生的能量，防止产品遭受破坏，它是具有高度压缩和复原性的粘弹性材 料【2 4 1 。 2 2 2 蜂窝纸板的耗能机理【3 4 , 3 7 , 3 8 】 构成蜂窝纸板的主要成分，是高分子材料，因此。蜂窝纸板具有典型的高分 子材料所具有的粘弹性。它是一种兼有某些粘性液体和弹性固体特性的材料。粘 性液体在一定的成熟能力状况下具有损耗能量的能力，而不能贮存能量；相反， 弹性材料能贮存而不能损耗能量。蜂窝纸板的特性介于两者之间，当它产生动态 的应力与应变时，部分能量可以贮存起来，另一部分能量则被转化成热量而被耗 散掉。 蜂窝纸板主要是由高分子聚合物构成，从它受力后的微观表现可以分析它的 耗能特性。当它受到外力时，一方面分子链可以变形，另一方面会产生分子与分 子之间链段的滑移。当外力除去之后，变形的分子链要恢复原位，释放外力所做 的功，这就是粘弹体的弹性。但分子链的滑移不能完全恢复原位，会产生一定的 永久变形，这就是粘弹体的粘性。这一部分做的功变为热量，耗散于周围环境中， 使机械振动能转变为热能。 2 2 3 蜂窝纸板中气体的重要作用2 m 2 。2 3 】 蜂窝纸板中的固相成分虽然都是高分子有机物，但是并不能够把蜂窝纸板完 全看作是聚合物材料，蜂窝纸板在受礼时内部的微观反应不同于聚合物，并且主 要的力学行为也不是由微观反应表现出来的，其主要原因是由于，在蜂窝纸板中， 其结构成分中气体占有大部分的体积，蜂窝纸板中的气体对蜂窝纸板的特性有着 很大的影响。虽然如此，蜂窝纸板力学行为的宏观表现还是与聚合物材料十分相 似的。 如图2 1 a 所示：蜂窝纸板中的气体被密封在蜂窝腔内，当压力p 增大到一定 程度时，纸蜂窝壁开始弯曲，纸板抵抗变形的应力明显减弱，但是此时因为变形 增加，腔内的气体的体积减弱，气体对腔壁的压力增加。气体压力增加过程与腔 壁弯曲蜂窝纸板抗压能力降低这两个过程同时存在。假设蜂窝纸板内的气体完全 封闭，考虑到一般的冲击过程时问都很短，蜂窝腔中的气体来不及与外界交换热 1 5 白友 ae+=0(2-21) v a b c d 图2 1 理论预测曲线 式中：e 为气体内能的增量，为绝热气体对外所作的功，对于微小的变 化过程有：d