（固体力学专业论文）纸浆模塑的缓冲机理及优化分析研究.pdf

中文摘要纸浆模塑是以纸浆( 或废纸) 为主要原料，经碎解制浆、调料后，注入模具中成型，生产的一种极具缓冲性和韧性极佳的新型可降解环保包装制品。具有与包装物外型相吻合的几何形状和良好的防震、防冲击、防静电、防腐等优点，在工业包装领域中有着广阔的市场和发展前景。本文着重研究了纸浆模塑材料的力学特性，通过不同密度和加载速率下的短距压缩实验，得出纸浆模塑材料的应力一应变关系对密度和加载速率敏感。在结构分析基础上，提出了纸浆模塑制品的缓冲机理，即纸浆模塑主要通过凸台侧壁的屈曲变形与破坏来吸收能量，并延长载荷作用时间来达到缓冲目的，其材料本身几乎没有缓冲性。本文通过有限元数值分析方法优化设计纸浆模塑制品结构，首先与实验对比验证了该方法的精确性。然后分别讨论了各几何结构参数、凸台个数和凸台之间的相对位置对凸台承载能力、缓冲性及强度的影响。增加凸台厚度、受载边总长度、凸台个数以及改用圆柱或圆锥凸台有利于提高凸台的承载能力、减小凸台的最大应力，但是相应缓冲性能有所降低；虽然凸台高度的增加缓冲性能有所提高，但凸台过高时凸台容易失稳，承载能力相应降低，通过分析当凸台的高度等于凸台的承载面边长时不但凸台的承载能力、缓冲性能较好而且被包装物的最大应力最小，即被包装物被最不易破坏；在进行制品设计时为满足简化模具加工和产品生产要求，可以根据脱模要求在2 0 8 。范围内选择合适的斜度，脱模斜度不宜过大。通过对纸模变形过程的模拟与归纳，总结出参数单位长度载荷k 、被包装物单位面积上的支撑点个数k 。、支撑点分布均匀性系数k 。，以初步预测纸模结构设计的合理性。关键词：纸浆模塑屈曲有限元缓冲性能a b s t r a c tm o u l d e dp u l pi san e wt y p ed e g r a d e de n v i r o n m e n t a lp a c k a g ea n di ti sw i d e l yu s e df o rc u s h i o np a c k a g i n g i ti sm a d eo u to f p a p e r - p u l pw h i c hi si n j e c t e dt om o u l dp a t t e r na f t e rf i x i n g i to w n sg o o dp r o p e r t i e ss u c ha se x c e l l e n tc u s h i o n i n ga n dt o u g h n e s s ，l i g h t w e i g h t ，d e g r a d a t i o na n dg o o da i rp e n e t r a b i l i t ye t c h o w e v e r , al o to fw o r ks h o u l db ed o n et oi m p r o v ei t sd e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，a n da p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l yt oo p t i m i z et h es t r u c t u r ed e s i g no f m o u l d e dp u l pa tp r e s e n t i nt h i st h e s i s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a lo fm o u l d e dp u l pa r em a i n l ys t u d i e d a n da td i f f e r e n tc o n d i t i o n st h er e l a t i o n s h i po fs t r e s s s t r a i ni sm e a s u r e dt h r o u g he x p e r i m e n t i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h er e l a t i o n s h i po fs t r e s s s t r a i no fp a p e r - p u l pi ss e n s i t i v et od e n s i t ya n dr a t eo fs t r a i n t h es t u d yp u t sf o r w a r dt h es t r u c t u r ec u s h i o n i n gm e c h a n i s mo nt h eb a s eo fe v a l u a t i n gi t sm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s t r u c t u r ea n dl o a d si m p o s e dt ot h em o u l d e dp u l pa n dc o m e st ot h ec o n c l u s i o n t h ec u s h i o nc o u r s eo fm o u l d e dp u l pi st h ep r o c e s so ft h e s ep r o t r u s i o n s b u c k l i n gd e f o r m a t i o na n de n e r g ya b s o r p t i o n i na d d i t i o nt ot h et e s t i n go nr e a lw o r l dm o u l d e dp u l pp a c k a g i n gs a m p l e s ，f e mm o d e l i n ga n da n a l y s i si sc a r r i e do u tu s i n gt h ep r o t r u s i o n ss i m i l a rt ot h o s eu s e di nt e s t i n g b a s e do nt h i sn u m e r i c a lm o d e l i n g ，t h es t u d yd i s c u s s e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dp r o p e r t i e so fm o u l d e dp u l pa n dc o n c l u d e st h a ts u c hp a r a m e t e r sa st h et h i c k n e s s ，t h el e n g t ho fs i d ew a l lb e a r i n gl o a d ，t h en u m b e ra n dr e l a t i v ep o s i t i o no ft h ep r o t r u s i o n se t ci n f l u e n c i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fm o u l d e dp u l pc o n s i d e r a b l y s o m ep a r a m e t e r sc h a r a c t e r i z i n gt h eb e h a v i o ro ft h ep r o t r u s i o n sh a v eb e e na d v a n c e df o rt h es t r u c t u r ed e s i g nt of o r e j u d g et h ep r o p e r t i e so fm o u l d e dp u l p t h ep a r a m e t e r sa r et h el o a dp e ru n i tl e n g t h ，t h en u m b e ro fb e a r i n gp o i n ti nu n i ta r e a ，u n i f o r m i t yo fb e a r i n gp o i u t ，a n dl o a dp e ru n i tc o n t a c ta r e a a tl a s tt h es t r a t e g yf o ro p t i m i s s i o no f t h eg e o m e t r yt oi m p r o v et h ec u s h i o n i n gp r o p e r t i e si sp r o v i d e d k e yw o r d s ：m o u l d e dp u l p ，b u c k l i n g ，f e ma n df e a ，c u s h i o n i n g独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得基盗盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：寥尸初矛凸、签字日期：彩年月矽日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解：叁望盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：参均r 彬签字日期：汐6 年，月多、) 日导师签名：飞夺、邑铴签字日期：口莎年z 月同，天津大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论纸浆模塑制品( 也简称为纸模) 是以废纸为原料，经过碎浆并调配成一定浓度的浆料，在特制的模具上经过真空吸附成型，再经过干燥而成不同种类和用途的内衬体包装制品“1 。这种包装制品，由于具有与包装物外型相吻合的几何形状和良好的防震、防冲击、防静电、防腐等理想的保护效果，经各项物理指标测试，其效能和功效足以代替并优于发泡聚苯乙烯( e p s ) 等包装制品，并且在防震功能、环保、价格及防静电等指标和功能上占据优势。广泛适用于电子、机械零部件、工业仪表、电工工具、电脑、家电、玻璃、陶瓷和农产品等行业的内衬包装e 。1 1 纸浆模塑制品产生的背景最近几十年随着各项新型材料的出现以及材料加工技术的发展，特别是高分子材料的出现，为各种产品的包装提供了更多的选择余地。然而许多包装缓冲材料特别是发泡塑料( e p s ) 也给环境造成了日益严重的污染，这些污染主要包括：废弃物的白色污染；焚烧产物对大气、土壤和水源的污染；泡沫塑料使用氟氯烷烃类物质作发泡剂导致对大气臭氧层的破坏等，这已成为当今世界的重大社会问题。保护资源与环境，创造良好的生存和发展空间，是实施可持续发展、实现全球经济良好发展的基本战略。专家预言：2 1 世纪绿色产品的生产和营销将成为市场的主流。人类已开始向“先污染后治理”的传统道路发起挑战，发展绿色环保替代品，从根本上消除“白色污染”是世界的主流，是大势所趋，不可逆转。目前有些发达国家或地区已经立法限制或是禁止发泡塑料的生产、销售和使用，如欧共体1 9 9 1 年颁布的欧共体包装与环境法规明确规定“在运输包装和销售包装中应避免使用聚苯乙烯泡沫塑料”“1 ；日本、韩国、新加坡和我国的台湾地区己相继立法限制使用e p s 泡沫包装；美国已有2 2 个州立法限制使用e p s泡沫包装；国际化标准组织也颁布了i s 0 1 4 0 0 产品环境管理标准制度，其中的要点是：“任何企业从取得原料，产品制造、包装、成品运输，售后服务与使用到报废处理各个环节，都必须符合不破坏环境，不产生污染，易于回收再利用的原则”嘲。1 。我国也已经制定出固体废物污染环境防治法，鼓励使用易回收、易收集或者在环境中易分解的材料作为包装物“1 。目前国际上所提出的绿色天津大学硕士学位论文第一章绪论包装的概念包括以下几个含义：减量化( r e d u c e ) 可复用( r e u s e ) 可回收再生( r e c y c l e ) 可降解( d e g r a d a b l e ) ，此外还要求包装材料无有毒物质、在加工中不使用有公害的物质等“。在众多包装材料中纸类包装符合绿色包装的发展要求，是绿色包装中比较典型的一类。在欧美工业化发达国家，纸类包装材料大约占到整个包装材料总量的：3 以上，我国工业品的纸类包装大约只占全国包装材料年使用总量的1 2 ，具有较大的发展潜力捌嘲。本课题研究的对象纸浆模塑工业包装制品是纸类包装中的一种，由于它具有许多优良的物理和化学特性，必将成为一种为社会接受的新型绿色包装材料。图卜l 为纸浆模塑工业包装制品在生活中常见的应用实例，从中可以看出它正被广泛地应用于食品、小工艺品以及电子元器件的缓冲包装，有着广阔的市场和发展前景。图1 - 1 纸浆模塑工业包装制品的应用实例1 2 纸浆模塑包装制品的主要特性吲力纸浆模塑制品通常分为两类：一类是以成品纸浆为原料生产的快餐盒、盘、方便面碗等生活用品：另一类是以废弃纸张为原料生产的缓冲包装类制品，本课题研究对象为第二类即缓冲包装类的纸浆模塑制品。纸浆模塑包装制品在包装领域的广泛应用是由其特点决定的，其主要特点如下：良好的缓冲性能纸浆模塑包装制品的生产工艺特点决定了它的结构灵天津大学硕十学位论文第一章绪论活多变，可以发生较大的弹塑性变形和屈曲，制品依靠这些结构的弹塑性变形和屈曲起到缓冲作用。废弃物再利用主要包括两方面的含义，其一是废旧纸张的回收再利用，因为纸浆模塑工业包装制品的生产原料主要是回收的废弃纸张；其二是纸模制品本身可以通过多次回收重复利用。在自然环境中可以降解和泡沫塑料包装制品相比，未被回收利用的纸浆模塑制品废弃物在自然环境中不需经过特殊处理就能在较短的时间内自行腐烂分解，不会造成“白色污染”。良好的透气性可以用来包装“带呼吸有生命”的物品以延长保质期，如纸模用于水果、禽蛋、花苗等的包装。质轻、防静电、在运输中对产品表面基本无划伤。虽然纸浆模塑工业包装制品有许多优良的特性，但也存在一些缺点：如制品结构比较复杂，造成模具结构复杂，生产成本较高；制品强度较弱，目前包装重量较大的物品时，它的缓冲效果还不是很理想；材料性能受环境的影响较大，特别是湿度的影响；目前由于烘干效率低下造成制品的生产成本较高，不利于制品的推广使用。1 3 纸浆模塑包装的发展历史、现状及现存问题阳儿州侧纸浆模塑技术及其初期产品于1 9 1 7 年在丹麦问世，自动化流水线生产从六十年代开始。目前法国、加拿大、日本、美国等相继发展和推广了此项技术，并且具备了相当的生产规模。纸浆模塑制品最初大量用于禽蛋、啤酒瓶及水果的包装等，随着塑料包装物在日常生产和生活中的普遍使用，造成了严重的“白色污染”，可降解的塑料因其成本太高或没有完全解决污染问题，使用受到一定的限制，这些因素加速了纸浆模塑包装工业的发展。我国的纸浆模塑行业起步较晚，迄今只有十余年的历史，但发展很快。1 9 8 3 年由湖南纸模厂投资引进法国纸浆模塑生产线以生产鸡蛋托盘，随后广东、辽宁、四川、山东、江苏、北京等先后从英国、丹麦和台湾引进生产线。1 9 8 8 年由南京轻工研究所和江阴机械五厂开发了第一条纸浆模塑生产线。目前纸浆模塑制品得到了中国包装工业总公司、轻工业部国家环保总局等机构的确认和支持，并已列入国家“九五计划”，在全国作为一种跨世纪的环保制品加以推广。从事纸浆模塑工艺技术研制和产品生产的厂家，由1 9 9 5 年不足百家发展到目i ； 的三百多家；被包装物由简单的鸡蛋、水果、啤酒瓶之类的低档产品，发展到工业仪器仪表、电子原器件、家用电器等工业品；由过去主要用于出口产品包装转向外销与内销并重；生产设备由单纯地引进到引进和天津大学硕士学位论文第一章绪论开发并举；纸浆模塑制品结构也由过去的小型单一功能向大型多功能方向发展溯。尽管我国纸浆模塑工业近年来发展迅速，但还存在着许多的问题，这主要表现在以下几个方面一，：纸浆模塑制品的结构设计、模具设计不能适应国内外复杂的包装环境要求，其中最重要的是制品的结构设计，因为它是模具设计和生产工艺制定的基础，对制品的性能起关键作用。制品的结构设计最主要的数据是强度、缓冲性能、耐湿性能等。目前绝大多数的研究工作主要集中在生产工艺( 如纸浆制备、添加剂的选择、工序的合理安排) 的制定、改进、模具及成型机的设计开发上面，而且纸模制品的几何结构一般比较复杂，影响性能的参数众多，因此在纸浆模塑制品的设计过程中，对其缓冲性能的分析大多只是停留在定性阶段，没有定量的分析与验证，有时只是凭经验，不能很好地预测制品在使用时是否满足抗振、缓冲以保护被包装物的要求，使得制品设计、模具设计和工艺制订有很大的盲目性。生产设备落后。目前国内主要采用间歇式的成型机，这就使得纸浆模塑制品的生产效率比较低，成本过高。另外由于生产设备的成型压力不足，使得制品的厚度过小，国内生产的制品厚度一般不超过5 毫米，而国外制品的厚度能够达到几十个毫米。制品的系列化、标准化方面的工作进展缓慢，缺少相应的测试标准和生产规范。1 4 纸浆模塑性能研究进展表征缓冲包装材料缓冲特性最经典的方法是采用静态或动态材料本构关系。1 9 5 2 年j a n s e n 提出基于变形能的缓冲系数概念来表征缓冲包装材料的性能，后来又扩展为动态缓冲系数概念。1 9 6 1 年f r a n k l i n 和h a t a e 提出了最大加速度一静应力曲线，根据这些经验曲线，可简便地设计计算单自由度系统跌落缓冲包装设计，但误差较大“”。1 9 7 4 年，c o s t “”、m c d a n i e l 和w y s k i d a 分别建立了某种包装材料下物品最大加速度的数学表达式，根据不同静应力、厚度、跌落高度和环境温度，从这个表达式直接计算最大加速度值。目前对纸浆模塑材料及其缓冲包装结构力学行为的研究主要集中在如下几方面：d a n n yg e a g l e t o n 将纸浆模塑材料的缓冲曲线与聚苯乙烯的相似曲线作比较，发现纸浆模塑在低应力和一次冲击的情况下比聚苯乙烯泡沫塑料具有更好的缓冲性能“”。j o r g em a r c o n d e s 等指出了纸浆模塑制品的缓冲能力是结构单元侧壁的周长的函数，而不是受力面积的函数“”。j h o f f m a n n 确定了纸浆模塑包天津大学硕士学位论文第一章绪论装的结构形状与静强度和动强度的关系，认为缓冲结构单元为圆柱体和锥体的包装结构比形状为立方体、长方体的包装结构的压缩强度更好“”。王高升等根据纸浆模塑缓冲结构单元的静态压缩曲线研究了纸浆模塑缓冲包装结构设计的原理l i t ) * 康勇刚等对纸浆模塑制品结构参数与缓冲作用进行了研究，得出纸浆模塑制品结构对其缓冲性能影响很大的结论；同时通过研究纸浆模塑的结构参数与缓冲包装性能关系建立纸浆模塑制品的缓冲设计依据“，但这种设计方法无法适用更多的结构形式及尺寸变化。s p g u r a v 等对纸浆模塑材料力学行为进行了实验研究，给出了材料的平均拉伸强度和平均压缩强度以及平均弹性模量，并分析了同种材料多个试件的应力一应变曲线的差异性，指出这种差异性是由于材料中存在着杂质、空洞或纤维排列的随机性所致“”。从以上纸浆模塑材料的性能研究历史来看，目前国内外对这些缓冲材料的研究还大都处于试验研究阶段。至于理论研究也仅仅是对试验结果的拟合、修正。这种研究方法无法很好地描述材料本身的性能，要真正掌握材料特性，就应该从材料入手，建立材料的力学模型。为此，为提高纸模的结构设计水平以及生产技术水平做好前期工作，本课题将从纸模材料的力学性能分析入手，通过讨论纸模的主要结构参数对其性能的影响来找出结构设计的依据，并最终达到用其来指导产品缓冲设计的目的。1 5 本课题研究的主要内容及意义本课题是天津市应用基础研究计划项目( n o ：0 4 3 6 0 3 6 1 1 ) “纸浆模塑的本构模型及缓冲结构设计方法”的研究内容之一。课题的主要内容是新型可降解纸浆模塑材料的力学性能及其制品的缓冲结构优化设计。作者首先分析了纸浆模塑产生的背景、研究现状和发展方向，在此基础上，本文着重对下面几个问题进行了研究：( 1 ) 对纸浆模塑缓冲包装结构进行优化设计必须系统了解纸浆模塑材料的力学性能，因此研究纸浆模塑材料的力学性能成为本文的关键。( 2 ) 在测定材料泊松比时，由于纸浆模塑材料单向拉伸或压缩时横向变形测量比较困难，且对温度、湿度等环境因素影响敏感，不宜采用接触式变形测量方法；针对这种情况，本文寻求某种方法测其泊松比。( 3 ) 纸浆模塑材料的缓冲机理是制品缓冲结构包装的最终目的，而结构屈曲是结构实现缓冲性能的灵魂。为此如何在材料呈现塑性时处理结构中的屈曲问题，是本文致力研究的问题。( 4 ) 对制品缓冲结构优化设计是本文的核心部分，本文基于有限元数值模天津大学硕士学位论文第一章绪论拟通过改变结构参数，以及凸台的个数和位置分布等多方面探讨了对其结构的承载能力以及缓冲性能的影响。( 5 ) 通过优化设计得出表征凸台性能的几个参数，以初步预测纸模结构设计的合理性，并给出纸浆模塑制品结构优化设计的思路和策略。随着新型纸浆模塑缓冲结构的设计与开发成功，纸浆模塑制品的应用领域将更为广泛。本课题的理论研究成果将对发展纸浆模塑缓冲设计理论具有重要的学术价值，对纸浆模塑新产品的开发又具有重要的应用价值。天津大学硕士学位论文第二章纸浆模塑材料的力学性能研究第二章纸浆模塑材料的力学性能研究纸浆模塑材料力学性能的研究是纸浆模塑缓冲包装结构优化设计的最根本和最重要的理论基础，因此本章首先对纸浆模塑制品材料的力学性能如应力应变关系作研究，研究手段以实验为主。2 1 试件的制作和实验过程缓冲包装材料主要有发泡塑料类材料、纸类材料和橡胶类材料，这些材料的力学特性不同，变形和破坏的表现形式不同，缓冲机理也不同，本课题所讨论的纸模材料为纸类材料的一种。表征材料静态力学性能的经典方法是采用应力一应变关系曲线，通过实验可以测出材料的应力应变曲线。由于纸模材料的力学性能测试在国内外暂时还没有相应的标准，本文将参考纸和纸板的有关测试标准来完成材料的性能测试。试件处理参考国标：i s 0 1 8 6 - - 1 9 8 5 纸和纸板测定平均质量的取样i s 0 1 8 7 - - 1 9 7 7 纸、纸板、纸浆试件的温湿度调节处理i s 0 5 6 3 - - 1 9 7 6 纸和纸板定量的测定被包装物经过纸浆模塑制品包装后在流通过程中要经过储存、装卸和运输三个环节，在这些环节中它可能要受到因堆码而产生的静载荷、跌落而产生的冲击载荷、运输时产生的振动载荷作用等，从中可以看出纸浆模塑制品在承受载荷时，无论是静载荷还是动载荷，基本上都是压应力起主导作用。由于纸浆模塑拉伸和压缩实验得出来的材料性能有所不同“”，因此为了得出纸浆模塑材料的力学性能，参考国际标准：标准号为：t a p p is t a n d a r dt 8 2 6p m - 9 2 ，标准内容为：s h o r ts p a nc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc o n t a i n e r b o a r d o ”，作如下短距压缩实验。2 1 1 试件的制作本次实验试件的原材料有两种，一种是如图2 - 1 ( a ) 所示的纸浆模塑制品材料，密度较低，另一种是密度较高的纸浆模塑材料，如图2 1 ( b ) 。参考i s oa n dt a p p i 国际制浆造纸工业协会的行业标准来取一定舰格的试件，试件切成条状，试件宽度1 5 士0 2 m m ，长度6 0 m m 。由于纸浆模塑制品有复杂的几何外形，取样时天津大学硕士学位论文第二章纸浆模塑材料的力学性能研究在同等温湿度条件下，用如图2 2 所示专用纸类切刀从没有破损的样品上切割制品中比较平整的部分用作实验，四周边缘切割完整洁净，长边要平行，两端宽度差在0 1 m m 内。图2 - 1 纸浆模塑制品( b )图2 2 切割试件的切刀图2 3 短距压缩实验试件2 1 2 实验过程1 实验均在微机控制电子式万能试验机w d w - d i o o e h i 下进行，并记录当时实验温度为( 2 8 4 士1 ) o c ，湿度为( 8 0 士3 ) r h 。2 在实验开始时，夹具之间自由间距为( 2 + 0 0 5 ) m i l l ，夹紧力( 2 3 0 0 5 0 0 ) n 确保没有滑移，如图2 3 试件。3 试件厚度、密度的测量厚度测量：取样品若干( 本文为8 个) ，用游标卡尺测量，每个样品至少取3 个数据点。设样品的平均厚度为t ，每个样品的厚度为“( i = l 8 ) ，则试件厚度t 可以表示为：天津大学硕七学位论文第二章纸浆模塑材料的力学性能研究通过测量图2 1 ( a ) 纸浆模塑制品平均厚度为：1 6 1 7 u a n ，图2 - 1 ( b ) 为：1 3 6 2 n n n 。密度测量：由公式：p ：善：- 坠( 2 2 )v8 一a b ，t求得。式中m 为8 个样品的总质量，a 、b 、t 为样品的长度、宽度和厚度。通过测得图2 1 ( a 纸浆模塑制品的密度大约在3 7 8 6k g m 3 ，图2 - 1 ( b ) 为：5 3 5 2 k g m 3 。4 注意事项：测试区域不要用手接触，因为试件属于纸类材料，对湿度敏感放置试件时长边要平行于实验机的夹具运动方向，两头偏差不能超过1 6 m m2 2 数据处理和结果分析2 2 1 材料密度的影响按照上面的试件制作方法分别取如图2 - 1 两种密度材料试件8 个，参考上面的实验过程作短距压缩实验。夹具间相对运动速度为l m m m i n ，测试1 6 次，每次测得最大应力并记录各自应力一应变曲线。表2 1 为密度3 7 8 6k g m 3 8 个试件对应的弹性模量和最大应力数据，表2 - 2 为密度5 3 5 2 k g m 38 个试件对应的弹性模量和最大应力数据。表2 - 1 测得密度3 7 8 6k g m 3 各试件的弹性模量( m p a ) 和最大应力( m p a )样品号12345678平均值弹性模量1 1 01 0 09 01 0 09 01 1 01 0 0l o o1 0 0最大应力1 9 2 91 7 6 92 1 3 31 9 0 01 7 8 11 8 5 72 0 9 61 7 6 01 9 0 3表2 2 测得密度5 3 5 2 k g m 3 各试件的弹性模量( m p a ) 和最大应力( m p a )样品号12345678平均值弹性模量1 7 01 5 01 5 01 6 01 5 01 8 01 7 01 6 01 6 1 2 5最大应力2 4 9 l3 0 7 43 2 7 22 7 1 52 5 2 13 3 6 53 1 2 33 2 0 32 9 7 1天津大学硕士学位论文第二章纸浆模塑材料的力学性能研究2 o j阻弋i；i飞! ：t h 、t 一 ，讪!+ it i 、卜“专、，、；弋f 7i；。o _?一_”。图2 4 两种不同密度下的平均应力应变曲线图2 - 4 为两种不同密度下的平均应力一应变曲线，曲线a 为密度3 7 8 6k g m 3 对应8 个试件应力一应变曲线平均后的曲线，曲线b 为密度5 3 5 2 k g m 3 对应8 个试件应力一应变曲线平均后的曲线。由上表及图可知，密度为3 7 8 6k g m 3时的平均最大应力为1 9 0 3 m p a ，弹性模量分布9 0 l l o m p a 之间，平均弹性模量为i o o m p a ；而密度为5 3 5 2 k g m 3 时的平均最大应力为2 9 7 1 m p a ，弹性模量分布1 5 0 1 8 0 m p a 之间，平均弹性模量为1 6 1 2 5 m p a 。因此，高密度纸浆模塑材料测得的弹性模量比低密度时弹性模量和最大强度要大，即使平均厚度比低密度时要小，表明不同的材料的密度产生的应力一应变关系不同。由图2 4 可知，曲线呈现出相同的趋势，曲线基本上都经历三个阶段：弹性阶段，塑性变形阶段，破坏阶段。曲线在塑性变形阶段的斜率是变化的，随着应变增大，斜率减小，进入破坏阶段后，应力急剧下降，材料发生屈曲或撕裂破坏( 虽然本文采用短距压缩实验尽量避免了试件在实验过程中发生失稳，但从曲线呈现出来的破坏形式看，最终试件破坏形式仍然以屈曲破坏为主，有时候伴随着撕裂屈曲现象) ，从破坏前的曲线趋势看材料存在非线性。表2 - 1 ，2 - 2 为纸浆模塑材料发生破坏时的各个试件对应的临界最大应力和弹性模量，从中可以看出，虽然为同种材料，其最大应力和弹性模量存在一定的分散性，这种分散性可能是由于材料中存在着杂质、空洞或纤维排列的随机性所致，或者材料加工工艺的不同的影响造成的。2 2 2 加载速率的影响前面讲到了，包装件从厂家到销售部门再到消费者手中要经过多次运输，而运输过程中包装件必定会受到振动，使得制品长时阃反复受到变力的作用，这样纸浆模塑包装制品由于变力的影响变形速率不断变化，因此研究加载速率的变化对纸浆模塑材料的影响成为必要。同上实验过程，试件材料为图2 - 1 ( b ) 制品材料。取试件4 0 个，每个试件天津大学硕七学位论文第二章纸浆模塑材料的力学性能研究的大小相等，长度6 0 r a m ，宽度1 5 0 2 m m ，厚度为1 3 0 1 m 变化。试件分为五组，每组对应加载速率为0 5 m m m i n ，l m m m i n ，5 m m m i n ，l o m m m i n ，2 0 r a m r a i n ，各测试8 个试件。测得试件弹性模量如表2 3 ，平均最大应力值见图2 5 中各组中试件平均后的应力一应变曲线中显示，其中曲线a ，b ，c ，d ，e 分别对应的加载速率为0 5 r a m r a i n ，lm m i n ，5m m m i n ，1 0m m m i n ，2 0m m m i n 。表2 3 加载速率变化时的弹性模量( m p a ) 值赢弹率o o , - 弋o12345678平均值赢率：0 5 m m m i n2 4 0 2 l o 2 3 02 2 01 8 02 3 0 2 0 01 7 02 l o 0 0l m m m i n1 7 01 5 0 1 5 01 6 0 1 5 0 1 8 0 1 7 01 6 01 6 1 2 55 n r n m i n1 3 01 7 0 1 7 01 8 01 8 01 6 0 1 4 01 2 01 5 6 2 51 0 m m m i l l1 4 01 3 0 1 6 01 3 0 1 3 0 1 3 01 4 0 1 3 01 3 6 2 52 0 m m m i n1 5 01 3 01 4 0 1 1 0 1 3 01 2 01 2 01 3 01 2 8 7 5图2 5 不同加载速率下的平均应力一应变曲线由图2 - 5 及表2 - 3 可以看出，在不同的加载速率下应力一应变关系有所不同，随着加载速率的增加，各加载速率下的材料弹性模量有减小的趋势，平均最大应力有所增大，也就是说，不同的加载速率下材料的力学性质是不同的。由于加载速率和应变率是等价对应关系，因此纸浆模塑材料力学性能对应变率敏感，说明材料呈粘性。从上可知，不同的材料密度，不同的加载速率( 应变率) 下材料的应力一应变关系将不同，因此后面我们在用有限元法对纸浆模塑进行缓冲包装结构优化设计时，要根据不同的材料密度建立合理有限元模型，同时在进行动态模拟分析时天津大学硕士学位论文第二章纸浆模塑材料的力学性能研究需考虑应变率的影响。2 3 泊松比的测量泊松比乃横向应变与纵向应变之比的绝对值。由于纸浆模塑材料单向拉伸或压缩时横向变形测量比较困难，且对温度、湿度等环境因素影响敏感，不宣采用接触式变形测量方法；而数字图像相关法又需要有较好的纹理和散斑表面，该方法同样不适合测横向变形。为此本文借用白光数字图像频率分析法o ”，该方法能够测出全场的位移及变形分布，精度比较高，不需要喷斑，无需干涉光源，可用白光照明。1 试件的制作拉伸实验试件参考标准i s o1 9 2 4 2 口2 1 取样：试件宽度1 5 ：t 0 i m m ，长度l o o m ，试件6 个，在实验开始时，夹板之间自由间距为5 0 m m ，如图2 6 试件。1 5 nee8图2 - 6 纸浆模塑拉伸实验试件2 实验设备本文通过微机控制电子式万能试验机w d w d i o o e i i i 给纸板单向拉伸加载，加载方向平行于试件纸板的长边。3 数字图像采集系统。如图2 7 所示计算机视觉系统示意图。主要由光学成像系统，光电转换传感器，数字图像处理系统组成。试件表面经过成像系统的调节，由c c d 摄像机和图像卡数字化后存入计算机。本文利用图像卡的功能把采集的图像保存为b m p 格式，以后的程序运算也将直接提取b r n p 格式的图像进行相关运算。c c d 摄像机和显微镜头装在精密三维调节架上，便于调节得到清晰的图像。天津大学硕十学位论文第二二章纸浆模塑材料的力学性能研究桨光源试件业7 r光源主机图2 8 计算机视觉系统4 实验程序：记录当时实验温度为( 2 8 4 1 ) o c ，湿度为( 8 0 土3 ) r h 。用夹具夹紧试件，实验开始时先给试件一个较小的预紧力使其拉直，此时用c c d 采集一幅初始图像并保存，如图2 8 ( a ) ，然后使夹具相对运动，夹具相对运动速度为l m m m i n ，之后观察载荷与变形曲线，在弹性范围内接着采集第二幅图像保存，如图2 - 8 ( b ) ，每幅图像大小为5 1 2 x 5 1 2 像素。( a ) 纸板预紧时( b ) 弹性阶段某载荷下图2 - 8 试件在弹性范围内采得两幅图象假定坐标原点在左下角，水平向右为x 轴，竖直向上为y 轴。对这两幅图用该方法程序运算得全场的位移分布，通过水平位移场u 场算得第5 6 列和第4 5 6列的各像素水平位移然后平均，分别为0 1 0 8 7p i x e l ，一0 1 4 9 5p i x e l ，其中负号代表位移方向向左，相减得横向变形一0 2 5 8 2p i x e l ，除以总长度4 0 0p i x e l得横向应变；再取竖直位移v 场中第5 6 行和第4 5 6 行的各像素竖直位移然后平均，分别为9 8 5 2 7p i x e l ，1 2 4 8 7 2p i x e l ，相减得纵向变形2 6 3 4 5p i x e l ，除以总长度4 0 0p i x e l 得纵向应变。将横向变形与纵向变形之比取绝对值得泊松比天津大学硕士学位论文第二章纸浆模塑材料的力学性能研究u 为0 0 9 8 。其它五个试件横向变形、纵向变形和泊松比如表2 4 所示：表2 4 泊松比数据试件号123456横向变形( 像素)- 0 2 5 8 20 2 4 9- 0 2 7 30 3 1 50 1 9 7- 0 2 7 5纵向变形( 像素)2 6 3 4 52 8 6 12 5 7 22 5 1 92 7 3 63 0 5泊松比0 0 9 80 0 8 70 1 0 60 1 2 50 0 7 20 0 9由表可以看出，泊松比值在0 0 7 0 1 3 范围变化，将各个试件所求得泊松比平均得0 0 9 6 。2 4 本章小结本章以两种不同密度的纸浆模塑制品为材料，参考国际制浆造纸工业协会的行业标准，通过短距压缩实验研究了纸浆模塑材料在不同条件下的应力一应变关系，得出如下几点： 。b c 。，这意味着单位体积所能吸收的能量以a 为最大，b 次之，c最小；用作缓冲衬垫时，a 的体积最小，有利于节约原料，缩小整个包装件的体积，b 次之，c 最大。这就是缓冲系数的物理意义；在实际的缓冲包装设计中，总是要求选最小的缓冲系数，其根据即源于此。( 3 - 5 ) 式和( 3 - 6 ) 式表示缓冲材料的应力。与对应于该。下的应变能e之比，称为静态缓冲系数，随着。的变化而变化。o e 曲线上的。是缓冲材料为了抵抗形变而产生的附加内力，它也等于作用到产品上的破坏力，为了保护产品，这个破坏力的数值应小于或等于产品所能承受的最大外力，即印竿g 。和w 是由产品本身性质而决定的常数，a 是变量，仃。是a 的函数。由于。与e 的对应关系，在o 取最大值a 。时，e 也取最大值。把a 。、直接打入c的表达式，从而得到一个特定的函数值c =! 婴( 3 7 )驴o d 。改变a 的数值，可以得到一系列的盯。，将这些盯。值分别代入( 3 7 ) 式，可以计算出相应的c 值，这样可以画出一条c 一盯。曲线。那么在曲线上即可找出最小的缓冲系数c 值，2 缓冲系数的测定方法材料的缓冲系数是通过试验测出的，通常使用的方法，有静态试验法和动态试验法，由于本文需要，只作材料的静态试验。主要是用来测定缓冲材料的力一变形特性，由此可以求得缓冲材料的应力一应变曲线图，从而可以得出材料的缓冲系数。fe 兰= r 爿麟壁下压板图3 - 4 静态试验示意图静态试验( 如图3 - 4 ) 在微机控制电子式万能试验机w d w d 1 0 0 e i i i 下进行，上压板的速度为1 2 + 3 m m m i n ，因此接近于静压力，随着压力的不断增加，缓冲材料的厚度不断减少，变形量不断增加，测量得到材料的力一形变曲线。把力f天津大学硕士学位论文第三章纸浆模塑缓冲机理研究及有限元模拟除以材料受力面积a ，得到应力0 ；把形变x 除以材料原始厚度t ，得到应变e 。经过这样的处理，力一形变曲线就转化为应力一应变曲线。3 e p s 聚苯乙烯缓冲系数的测量结果如图3 - 5 所示为e p s 聚苯乙烯材料( 密度d = o 0 2 7 ) 的应力一应变曲线，在曲线上平均间隔取1 0 个点，计算每个点下应力饥( 或应变自下) 对应的单位体积变形能e 。( 即应力一应变曲线与横坐标所围的面积) ，代入上面的公式c l = o r l q即得每个( 或q ) 下的缓冲系数。根据计算结果，以c 为纵坐标、以0 为横坐标，绘制出e p s 材料的缓冲系数一最大应力( c a 。) 曲线，如图3 - 6 所示。一l一 寸才一f 厂_ _ 一蛩一一二：；7!上j 一一i _j l - _o0 ，l o 20 3040 50 60 - 0 8o g1应变( e )p1li图3 - 5e p s 聚苯乙烯材料的应力一应变曲线圈3 - 6 缓冲系数一最人应力曲线4 纸浆模塑材料缓冲系数的测量结果如图3 - 7 所示为纸浆模塑材料( 密度3 7 8 6k g m 3 ) 的应力一应变曲线，同样在曲线上平均间隔取1 0 个点，计算每个点下应力( 或应变句下) 对应的单位体积变形能e 1 ，代入公式c l = 印几l 即得每个q ( 或q ) 下的缓冲系数。根据计算结果，以c 为纵坐标、以0 为横坐标，绘制出纸浆模塑材料的缓冲系数一最大应力( c - o m ) 曲线，如图3 - 8 所示。i p a挪、，|f；：xi厂r i、li 、00 5l1 52253om ( m p a )图3 7 纸浆模塑材料的戍力一应变曲线图3 8 缓冲系数一最人应力曲线876：32 3 赣皤是慰；io|(n目。呻】i口vr 遥耄|啪瑚啪舌耋伽铷啪啪研mm嘲哪天津大学硕+ 学位论文第二章纸浆模塑缓冲机理研究及有限元模拟从图3 - 6 测得的e p s 聚苯乙烯材料的缓冲系数一最大应力曲线看出，当最大应力为3 5 5 9 k g c m 2 时，其缓冲系数最小为2 8 ，此时缓冲效率最佳，若以此应力值则可设计出最佳尺寸的缓冲衬垫；而由图3 - 8 可知，当最大应力取材料的极限强度2 6 9 m p a 时，纸浆模塑材料的缓冲系数达到最小为3 9 0 2 ，比e p s 材料的最小缓冲系数要大得多，也就是缓冲效率极低，或者根本不能起到缓冲作用。通过分析，e p s 材料的缓冲性能比纸浆模塑材料本身的缓冲形能优越的原因在于：e p s 制品是通过塑料薄壁所包含的气体在受载时得收缩或膨胀来延长冲击载荷作用时间，并缓慢地释放出能量，不是通过塑性材料本身的弹塑性变形来完成缓冲的；而纸浆模塑材料的强度较低，透气性好，而且比较脆，不具备这种特性，因此仅靠材料本身的弹塑性变形作为缓冲不足以达到缓冲目的的。但由于纸模的生产工艺特点决定了它的结构可以灵活多变，所以可以通过改变纸模的几何结构使它能够在多处相继发生弹塑性变形和屈曲以弥补材料自身缓冲性能上的不足，从而达到延长载荷作用时间、缓慢的储存并释放能量的目的，为此本文引入下面提到的纸浆模塑结构缓冲机理。3 1 2 纸浆模塑结构缓冲性研究( a ) 纸浆模塑制品( b ) 单个凸台图3 - 9 纸浆模塑制品几何结构如图3 - 9 ( a ) 所示纸浆模塑制品，通过观察其几何结构特点，纸浆模塑制品结构是相当复杂的，在直接分析或通过试验找出影响制品结构缓冲性能的关键因素时是比较费时的。但是任何一个制品的缓冲作用都是依靠组成该结构制品的凸台起到支撑作用和缓冲目的，因此，为了方便分析和试验，从纸浆模塑制品中天津大学硕士学位论文第二章纸浆模塑缓冲机理研究及有限元模拟提取单个凸台( 如图3 - 9 ( b ) ) ，再研究单个凸台的缓冲性能及找出影响其缓冲效果的因素则成为了出发点。1 实验通过单个凸台缓冲压溃实验，观察凸台在受载过程中的变形情况，旨在分析研究凸台通过大变形来达到缓冲作用的机制。实验在微机控制电子式万能试验机w o w d i o o e h i 下进行，通过与微机联用，实现自动测试其载荷与变形曲线。如图3 1 0 ( a ) 所示为当时实验时所用的圆柱凸台，其加载方式如图3 - 1 0 ( b ) ，上压板的速度为1 2 3 m m m i n ，接近于静压力。由于凸台是薄壳结构，因此载荷f 相当于作用在凸台侧壁上，假设凸台受载边( 图3 9 ( b ) 圆柱凸台a 面) 周长为c ，凸台平均厚度为t ，某一时刻作用在a 面上的载荷为f ，因此截面的平均应力近似为：挑r a s e s t r e s s = 击( 3 8 )从实验中看出，随着载荷值增大，凸台的变形逐渐增大，同时应力也越来越大。当载荷增大到一定值时，凸台屈曲，而此时的应力还并没有到达强度极限，因此凸台只是屈曲，没有发生断裂破坏。( a ) 实验时的凸台模型( b ) 凸台加载受力情况图1 0 圆柱凸台模型实验测得其载荷一变形曲线如图3 - 1 l 所示，从中看出，该条曲线上有几个明显的屈曲极值点。第一个