濕度和應(yīng)變率對(duì)紙質(zhì)緩沖材料能量吸收特性的影響.pdf

1、蜂窩紙板和多層瓦楞紙板是常用的紙質(zhì)緩沖吸能材料。面外壓縮載荷作用下的蜂窩紙板和平壓載荷作用下的多層瓦楞紙板，其載荷-位移曲線(xiàn)上均出現(xiàn)一段較長(zhǎng)的應(yīng)力平臺(tái)，結(jié)構(gòu)在近乎恒定的載荷下持續(xù)穩(wěn)定的變形，耗散大量的沖擊能量，從而能在跌落沖擊等突發(fā)事故中保護(hù)產(chǎn)品。蜂窩紙板和多層瓦楞紙板的緩沖吸能特性除受到原紙材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)相對(duì)密度的影響外，還與環(huán)境相對(duì)濕度及加載速率等因素有關(guān)。研究這兩種材料在不同相對(duì)濕度下的能量吸收特性及其應(yīng)變率效應(yīng)已成為該領(lǐng)域的

2、研究熱點(diǎn)，因此也是本文的研究重點(diǎn)。本文采用實(shí)驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了兩類(lèi)紙質(zhì)結(jié)構(gòu)型材料在不同濕度環(huán)境和不同初始應(yīng)變率下的能量吸收性能、吸能機(jī)理及應(yīng)變率效應(yīng)，并將兩種材料的能量吸收性能進(jìn)行了比較。
　　 對(duì)蜂窩紙板和多層瓦楞紙板在不同環(huán)境濕度和不同初始應(yīng)變率下的壓縮特性進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究。選取了3種典型蜂窩紙板和8種常用瓦楞紙板多層結(jié)構(gòu)，分別在6組環(huán)境濕度條件(溫度23℃，相對(duì)濕度分別為40％，50％，65％，7

3、5％，85％和95％)和6組初始應(yīng)變率條件(8.3×10-4，5.0×10-3，3.3×10-2，6.1×101，8.6×101和1.1×102s-1)下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)了這兩種紙質(zhì)能量吸收結(jié)構(gòu)緩沖吸能特性隨相對(duì)濕度和初始應(yīng)變率的變化規(guī)律：在實(shí)驗(yàn)所涉及的環(huán)境濕度和初始應(yīng)變率條件下，蜂窩紙板和多層瓦楞紙板的平臺(tái)應(yīng)力與單位體積吸收能量均隨厚跨比（蜂窩胞壁厚度與胞元邊長(zhǎng)之比t/l；瓦楞胞壁厚度與瓦楞跨度之比tc/λ）的

4、減小而減?。环涓C紙板的平臺(tái)應(yīng)力和能量吸收能力在相對(duì)濕度大于75％時(shí)隨相對(duì)濕度的增加而顯著下降，低于75％時(shí)則對(duì)相對(duì)濕度的變化不敏感；而多層瓦楞紙板的平臺(tái)應(yīng)力和能量吸收性能隨相對(duì)濕度的增加持續(xù)小幅減少；蜂窩紙板和多層瓦楞紙板在中等應(yīng)變率作用下的平臺(tái)應(yīng)力和單位體積吸收能量較之準(zhǔn)靜態(tài)壓縮均有較大提高，表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率效應(yīng)。所有這些試驗(yàn)研究都是深入分析結(jié)構(gòu)能量吸收機(jī)制、構(gòu)建能量吸收模型的基礎(chǔ)。
　　 建立了能夠預(yù)測(cè)蜂窩紙板在不同環(huán)境濕

5、度下平臺(tái)應(yīng)力的理論模型。該模型是以蜂窩胞壁厚跨比、胞壁材料在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下(溫度23℃，相對(duì)濕度50％)的屈服強(qiáng)度以及環(huán)境相對(duì)濕度為控制參量的簡(jiǎn)單函數(shù)；實(shí)驗(yàn)研究了不同厚跨比蜂窩紙板在不同濕度下的軸向壓縮特性和平臺(tái)應(yīng)力，并將平臺(tái)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值良好的一致性驗(yàn)證了本模型的準(zhǔn)確性。該模型可用于預(yù)測(cè)蜂窩紙板在實(shí)際物流環(huán)境條件下的平臺(tái)應(yīng)力。
　　 建立了多層瓦楞紙板首層壓潰應(yīng)力理論預(yù)測(cè)方程，該方程是以瓦楞厚跨

6、比和瓦楞芯紙屈服強(qiáng)度為控制參量的簡(jiǎn)單函數(shù)；將該模型與次屈服模量-瓦楞跨度經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合，得到多層瓦楞紙板應(yīng)力平臺(tái)曲線(xiàn)預(yù)測(cè)方程。在此基礎(chǔ)上，考慮環(huán)境濕度對(duì)瓦楞芯紙屈服強(qiáng)度的影響，建立能夠預(yù)測(cè)多層瓦楞紙板在不同環(huán)境濕度下應(yīng)力平臺(tái)曲線(xiàn)的理論模型。
　　 對(duì)蜂窩紙板和多層瓦楞紙板的材料力學(xué)行為進(jìn)行簡(jiǎn)化，基于簡(jiǎn)化材料模型對(duì)兩種材料的能量吸收能力進(jìn)行分段建模，考慮相對(duì)濕度對(duì)蜂窩紙板和多層瓦楞紙板能量吸收能力的影響，建立了能夠預(yù)測(cè)不同濕度下兩

7、種材料能量吸收過(guò)程的理論模型。每一階段的吸能模型都是厚跨比、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下胞壁材料屈服強(qiáng)度及環(huán)境濕度的簡(jiǎn)單函數(shù)。由該模型可得到蜂窩紙板和多層瓦楞紙板在不同濕度環(huán)境下的能量吸收曲線(xiàn)和最佳吸能點(diǎn)。模型化能量吸收曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，兩者良好的一致性驗(yàn)證了本文建立的吸能模型的準(zhǔn)確性。該模型可用于蜂窩紙板和多層瓦楞紙板能量吸收結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 考慮由于蜂窩胞元內(nèi)部封閉的大量氣體在受到劇烈壓縮時(shí)產(chǎn)生的回復(fù)力對(duì)動(dòng)態(tài)加載時(shí)蜂窩紙板平臺(tái)

8、應(yīng)力的貢獻(xiàn)，建立了蜂窩紙板動(dòng)態(tài)平臺(tái)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型。蜂窩紙板的動(dòng)態(tài)平臺(tái)應(yīng)力是蜂窩胞元厚跨比及應(yīng)變的函數(shù)，并隨著應(yīng)變的增加而增加。
　　 蜂窩紙板和多層瓦楞紙板具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際的物流環(huán)境和沖擊工況選擇最佳的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和材質(zhì)。能量吸收?qǐng)D為這種優(yōu)化選擇提供了系統(tǒng)有效的設(shè)計(jì)方法。本文基于大量的試驗(yàn)，繪制了蜂窩紙板和多層瓦楞紙板在不同濕度環(huán)境恒定壓縮速率條件下的能量吸收?qǐng)D和恒定溫濕度環(huán)境不同初始應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)能量吸收?qǐng)D。所