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

1、<p>　　蜂窩紙板的緩沖性能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</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(yīng)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(jìn)行了比較，得到了蜂窩紙板的隔振緩沖特點(diǎn)。通

5、過壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得了蜂窩紙板的應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系的曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蜂窩紙板在壓縮過程中，會(huì)出現(xiàn)明顯的彈性變形、彈塑性變形、塑性坍塌和密實(shí)化四個(gè)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(shí)驗(yàn)的壓縮速度，測量了不同變形速率下的應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系的曲線，分析了壓縮變形速率對(duì)蜂窩紙板緩沖性能的影響。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了蜂窩紙板的本構(gòu)關(guān)系的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行了蜂窩紙板的動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)識(shí)別。參數(shù)表明

6、動(dòng)態(tài)模型同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度良好，使實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)具有普遍意義；同時(shí)，根據(jù)蜂窩紙板的性能特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了蜂窩紙板包裝結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，這對(duì)隔振緩沖包裝設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：蜂窩紙板；緩沖性能；應(yīng)力—應(yīng)變曲線；力學(xué)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(shì)</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(shí)，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(yùn)貨物在落地時(shí)盡量少受損傷；進(jìn)而，到了20世紀(jì)五、六十年代，發(fā)達(dá)國家將蜂窩紙板應(yīng)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(jìn)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(fù)的研制，在80年代初取得成功。實(shí)踐證明，蜂窩技術(shù)是一項(xiàng)具有很高

8、實(shí)用價(jià)值的科學(xué)技術(shù)[2]。</p><p>　　上世紀(jì)末以來，為保護(hù)環(huán)境和防止植物害蟲的擴(kuò)散傳播，美國、加拿大、英國等先進(jìn)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(shí)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(kuò)散。實(shí)際限制木質(zhì)包裝禁令導(dǎo)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(dāng)時(shí)，我國對(duì)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(fèi)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(yīng)用的熱點(diǎn)[3]。</p><p>　　蜂窩紙板作為一種新型的節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、成本低廉的包裝材料，具有輕、強(qiáng)、剛、穩(wěn)四大優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用前景。在國際上，上世紀(jì)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(yùn)輸包裝中的應(yīng)用</p><p>　　蜂窩紙板的大量應(yīng)用在包裝、建筑、儲(chǔ)運(yùn)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(yīng)用[5]。目前，我國

11、的蜂窩紙板主要用于運(yùn)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(yùn)輸包裝中的應(yīng)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(yùn)輸搬運(yùn)費(fèi)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(shí)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(hù)內(nèi)裝貨物。用蜂窩紙板制成的緩沖襯墊具有較強(qiáng)的緩沖性能，用于倉儲(chǔ)和運(yùn)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(hù)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(shí)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>　?。?）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(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)的抗壓強(qiáng)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(fù)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>　　（4）角撐、護(hù)棱等附件</p><p>　　蜂窩紙板作為局部緩沖包裝的角撐、護(hù)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(hù)棱用在單元包裝之間，可以保護(hù)單元包裝外楞不受損壞。同時(shí)可防止單元與單元之間、單元與運(yùn)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(yùn)輸工具或托盤對(duì)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(yùn)輸、存儲(chǔ)過程中，產(chǎn)品受到振動(dòng)和沖擊載荷的作用具有相當(dāng)?shù)钠毡樾?，因包裝不善所造成的經(jīng)濟(jì)損失也很嚴(yán)重，隔振緩沖是現(xiàn)代運(yùn)輸

19、包裝領(lǐng)域所必需解決的一個(gè)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(shì)，而我們對(duì)蜂窩紙板和紙漿模塑材料的力學(xué)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(duì)象，分析其在裝卸和運(yùn)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(yīng)力-

20、應(yīng)變曲線受壓縮速度的影響，提出建立蜂窩紙板的力學(xué)模型，認(rèn)識(shí)蜂窩紙板材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線離散分布，進(jìn)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(yù)測材料的隔振緩沖性能。通過實(shí)驗(yàn)獲得必要的測試數(shù)據(jù)，為今后的產(chǎn)品的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)提供必要的數(shù)據(jù)，利于正確地設(shè)計(jì)產(chǎn)品的運(yùn)輸包裝結(jié)構(gòu)，減少包裝材料的利用量，從而達(dá)到降低成本和保護(hù)環(huán)境的目的。這對(duì)隔振緩沖包裝的設(shè)計(jì)和工程實(shí)用具有現(xiàn)實(shí)的意義，這也是隔振緩沖包

21、裝設(shè)計(jì)和運(yùn)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>　?。?）查閱相關(guān)課題研究文獻(xiàn)和各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)蜂窩紙板緩沖性能的研究方法。設(shè)計(jì)本課題需要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試樣，為實(shí)驗(yàn)工作做好準(zhǔn)備。</p><p>　?。?）制取蜂窩紙板測試實(shí)驗(yàn)的試樣，分別對(duì)其進(jìn)行不同速度下的動(dòng)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

22、，獲得有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；分析和整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究壓縮變形速度對(duì)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(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行蜂窩紙板的動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)識(shí)別，分析動(dòng)態(tài)模型參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度。</p><p>　?。?）利用蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，根據(jù)它的緩沖性能設(shè)計(jì)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(diǎn)</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(yīng)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(qiáng)度則直接與蜂窩紙板的側(cè)壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)帶的六角形蜂窩的強(qiáng)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(qiáng)帶六角形</p><p>　　圖2-1 蜂窩芯的形狀</p><p>　

26、?。╝） （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(shí)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(shí)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(dāng)長度切斷，再將它們交錯(cuò)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(duì)接成芯板，對(duì)芯板進(jìn)行拉伸獲得蜂窩芯板，最后將面紙或其他材料與之復(fù)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(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)，我國的勞動(dòng)力資源豐富，勞動(dòng)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(shí)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(xué)、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(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)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(dāng)寬度和長度的芯紙條，其寬度與蜂窩紙板的厚度相對(duì)應(yīng)，而長度與紙板的寬度或長度相對(duì)應(yīng)，之后利用模具將平直的芯紙條壓制成由多個(gè)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(duì)成型的芯紙條進(jìn)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(gè)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(fù)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(diǎn)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(gè)紙板的力學(xué)性能均勻性也好，力學(xué)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(diǎn)也很明顯，那就是它的加工工藝對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)條件均有較高的要求，這就導(dǎo)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(duì)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(xué)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(duì)加工工藝和加工設(shè)備的要求相對(duì)較低，生產(chǎn)成本也就比較低，從而使得它擁有價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)</p><p>　　蜂窩復(fù)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(qiáng)度的特點(diǎn)。根據(jù)仿生學(xué)，蜂窩紙板還具有強(qiáng)度高、彈性大的特點(diǎn)，同時(shí)，它的抗壓、防震、防潮、隔熱性能都很突出[14]。其主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　蜂窩拉伸成型時(shí)，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(dú)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(dān)來自各個(gè)方向的作用力。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有很大的強(qiáng)度/重量比和極佳的性能/價(jià)格比。蜂窩紙板最大

36、的優(yōu)點(diǎn)是它的強(qiáng)度重量比大，重量輕而強(qiáng)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(qiáng)度是一定的，當(dāng)外力超過這一值時(shí)，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(dòng)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?jiān)诓们袝r(shí)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(dǎo)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(yùn)動(dòng)因此被嚴(yán)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(shí)，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(xué)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(xué)性能更為復(fù)雜多變。蜂窩紙板的力學(xué)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(xué)性能更為復(fù)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(diǎn)。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(qiáng)度上：蜂窩紙板因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的抗壓、抗折能力。10mm厚的蜂窩紙板的抗壓強(qiáng)度是瓦楞紙

41、板的2～75.6倍，抗折強(qiáng)度是五層瓦楞紙板橫向強(qiáng)度的2倍，是縱向強(qiáng)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>　?。?）成本上：蜂窩紙板比瓦楞紙板用材少，同時(shí)可采用廉價(jià)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(shì)就越突出。另外，用蜂窩紙板制作的紙箱在運(yùn)輸中的破損率比瓦楞紙箱減少20～25倍，大幅度降低

42、了運(yùn)輸包裝費(fèi)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(hù)。機(jī)電產(chǎn)品是量大面廣的產(chǎn)品，且包裝又多為運(yùn)輸包裝，一旦完成運(yùn)輸后，即成為包裝廢棄物，應(yīng)用回收性好的材料事關(guān)重要，所以大量

43、應(yīng)用蜂窩紙板箱，可稱其為是機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的“綠色包裝”[19]。從保護(hù)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(shí)驗(yàn)測試</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料</p><p>　　實(shí)驗(yàn)儀器使用濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的WDW-100型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)條件是：溫度T=16℃，相對(duì)濕度RH

44、=56%。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)方法參考國家標(biāo)準(zhǔn)

45、 [20-21]，采用A法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)的基本原理：實(shí)驗(yàn)機(jī)上的壓板以一定的速度勻速運(yùn)動(dòng)，對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)測量記錄壓縮負(fù)荷和位移的變化過程，繪制負(fù)荷和壓縮位移曲線，可以用式（3-1）將測量的負(fù)荷和壓縮位移轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力和應(yīng)變[22]。</p><p><b>　?。?-1）</b

47、></p><p>　　其中：為壓縮應(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)過程中的厚度，。</p><p>　　40、50mm厚試樣的實(shí)驗(yàn)方法也采用30mm厚試樣的相同實(shí)驗(yàn)方法。</p><p>　　3.3 實(shí)驗(yàn)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(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出厚度為30mm的蜂窩紙板的應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系曲線。蜂窩紙板在塑性坍塌和密實(shí)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出厚度為4

51、0mm的蜂窩紙板的應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系曲線。蜂窩紙板在塑性坍塌和密實(shí)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)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(yīng)力</p><p>　?。?）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(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出厚度為50mm的蜂窩紙板的應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系曲線。蜂窩紙板在塑性坍塌和密實(shí)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)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(fù)荷</p><p

54、>　　蜂窩紙板抗壓強(qiáng)度計(jì)算</p><p>　　抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中：為抗壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中得到的最大應(yīng)力。</p><p>　　壓縮彈性模量按下式計(jì)算：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中：為壓縮彈性模量，；</p><p><b>　　為抗壓強(qiáng)度，；</b></p><p&g

56、t;　　為抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(qiáng)度和彈性模量，如表3-5所示。</p><p>　　表3-5 抗壓強(qiáng)度和彈性模量</p><p>　　3.5 實(shí)驗(yàn)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(yīng)力與應(yīng)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(shí)化階段等4個(gè)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(yīng)力隨應(yīng)變快速增加，應(yīng)力與應(yīng)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(duì)應(yīng)，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(dāng)線彈性應(yīng)力等于彈性屈曲臨界載荷時(shí)，在應(yīng)力應(yīng)變曲線中表現(xiàn)出一個(gè)彈性屈曲應(yīng)力峰值[23]。</p><p>　　圖3-7 全程壓縮應(yīng)力—應(yīng)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(jìn)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(shí)間內(nèi)失去了對(duì)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(yīng)力隨應(yīng)變的不斷增加基本保持不變；壓潰載荷隨壓縮應(yīng)變的

60、增大呈一定規(guī)律性地上下波動(dòng)，直到蜂窩紙幾乎完全坍塌以至與所有相對(duì)的蜂窩壁面接觸。此階段應(yīng)力在 “平穩(wěn)”應(yīng)力（plateau stress）[25]的附近。也可稱為蜂窩紙板平壓時(shí)的壓潰強(qiáng)度（Crush Strength）。</p><p><b>　?。?）密實(shí)化階段</b></p><p>　　當(dāng)蜂窩紙板的應(yīng)變量達(dá)到密實(shí)化應(yīng)變量后，其壓應(yīng)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(shí)，壓縮應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增加。當(dāng)蜂窩紙芯壓縮過程中的瞬時(shí)相對(duì)密度達(dá)到0.5左右時(shí)，壓縮應(yīng)變達(dá)到密實(shí)化應(yīng)變（Densification Strain）。此時(shí)蜂窩紙板已經(jīng)不再起到緩沖作用，因此這一階段對(duì)于研究蜂窩紙板的緩沖性能沒有什么實(shí)質(zhì)性的意義，可以不予考慮。 </p><p>　　由實(shí)驗(yàn)得出的應(yīng)力與應(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)力值變化較大。整體看來，壓縮變形速度較小時(shí)，蜂窩紙板最大應(yīng)力的變化有逐漸上升趨勢(shì)；較大壓縮變形速度下的最大應(yīng)力比較小壓縮變形速度下的最大應(yīng)力有所提高；但在壓縮變形速度非常大（350mm/min）時(shí)，各厚度的蜂窩紙板的最大應(yīng)力均有所下降。這就是說，當(dāng)外界的沖擊速度較小時(shí)，蜂窩紙板的隔振能力隨沖擊力的增大而逐漸增大；而當(dāng)沖擊速度非常大時(shí)，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(yīng)力有變化。例如，蜂窩紙板厚度為30mm時(shí)，最大應(yīng)力變化量達(dá)到19.3%；蜂窩紙板厚度為40mm時(shí)，最大應(yīng)力變化量達(dá)到51.7%；蜂窩紙板厚度為50mm時(shí)，最大應(yīng)力變化量達(dá)到13.8%。實(shí)驗(yàn)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(yīng)力隨加載速度的增加逐漸增大；但壓縮變形速度達(dá)到350mm/min時(shí)，反而最大應(yīng)力降低。

65、</p><p>　　3.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中特殊情況分析</p><p>　　（1）一般認(rèn)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?yàn)榧埌宓暮穸仍叫?，材料的剛性就越好，?qiáng)度就越高，就越不易被壓變形；進(jìn)而，隨著蜂窩紙板厚度的增加，材料屈服點(diǎn)的應(yīng)力值降低，也可以說材料越厚，在受到外力時(shí)越易達(dá)到屈服階段[26]。在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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>　　（2）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(diǎn)厚度不均勻，在受到壓縮時(shí)，不能均勻受力，抗壓強(qiáng)度較低，緩沖性能較差，得到的

67、最大應(yīng)力值較低。</p><p>　　4 本構(gòu)關(guān)系模型的建立與參數(shù)識(shí)別</p><p>　　以國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓縮速度12mm/min的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果為例，建立蜂窩紙板本構(gòu)關(guān)系的動(dòng)態(tài)模型。</p><p>　　4.1 本構(gòu)關(guān)系的動(dòng)態(tài)模型</p><p><b>　　（1）彈性變形階段</b></p><p

68、>　　蜂窩紙板在彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式為：</p><p><b>　　（4-1）</b></p><p><b>　　邊界條件為</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　（2

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(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　邊界條件為</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p

70、><b>　?。?）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(zhǔn)確反映其函數(shù)關(guān)系，假定應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)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(shí)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(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式為</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　邊界條件為</b>&

72、lt;/p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　4.2 動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)識(shí)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(dòng)態(tài)模型參數(shù)值</p><p>　　4.3 動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行動(dòng)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(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式為：</b></p><p><b>　　邊界條件為：</b></p><p>

74、;　?。?）彈塑性變形階段</p><p><b>　　應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)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(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式為：</b></p

75、><p><b>　　邊界條件為：</b></p><p><b>　　（4）密實(shí)化階段</b></p><p><b>　　應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)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(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所得曲線比較</p><p>　　圖4-1表示用數(shù)學(xué)擬合方法計(jì)算的蜂窩紙板材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖4-1可見，擬合計(jì)算結(jié)果表明計(jì)算公式對(duì)蜂窩紙板材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能實(shí)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(xué)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(wù)是吸收包裝在受到?jīng)_擊、振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的能量。但不要認(rèn)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(yīng)與所受沖擊的能量相適應(yīng)。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(dòng)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(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)加速度。若外力造成的振動(dòng)頻率與包裝物固有的振動(dòng)頻率相同時(shí)，就會(huì)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(yīng)具有吸收振動(dòng)外力，達(dá)到振動(dòng)衰減的性能。阻尼性能衰減包裝系統(tǒng)的振動(dòng)能量能起到隔振和減振的效果。</p><p><b>　　（3）復(fù)原性能</b></p><p>　　緩沖材料加上負(fù)荷產(chǎn)生變形，當(dāng)除去外加負(fù)荷后，材料恢復(fù)原來的形狀的程度成為復(fù)原性。材料負(fù)荷后有長期靜壓荷重和受瞬時(shí)沖擊、振動(dòng)荷重這兩者的區(qū)別。受前者荷重的復(fù)原性能成為靜復(fù)原性，受后者荷重的復(fù)原性能成

80、為動(dòng)復(fù)原性。對(duì)于吸收能量大而復(fù)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(qiáng)度、抗張強(qiáng)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(qiáng)度是表示紙板垂直耐壓能力的指標(biāo)，芯紙?jiān)埖沫h(huán)壓強(qiáng)度和面紙的環(huán)壓強(qiáng)度分別對(duì)蜂窩紙板的平面抗張強(qiáng)度和垂直抗壓強(qiáng)度作主要貢獻(xiàn)。</p><p>　　紙的表面性能對(duì)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(xué)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(fèi)膠粘劑且強(qiáng)度低，因此應(yīng)選用緊度較高的原紙。吸水潤漲性是纖維素的化學(xué)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(dǎo)致膠粘劑浪費(fèi)、粘接強(qiáng)度降低、紙表面不平整、紙強(qiáng)度下降，因此要求原紙具有良好的抗水性。這個(gè)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(duì)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(qiáng)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(gè)數(shù)越少。當(dāng)

84、孔徑比大于1時(shí)，隨著孔徑比的增大，平壓強(qiáng)度降低，緩沖性能減小[28]。蜂窩紙芯的平壓強(qiáng)度大于蜂窩紙板的平壓強(qiáng)度，但剝離面紙后的紙芯平壓強(qiáng)度有所降低，比對(duì)應(yīng)紙板小些[29]。</p><p>　?。?）環(huán)境和加工工藝的影響</p><p>　　蜂窩紙板是紙制品，因?yàn)橹档昧W(xué)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(duì)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(qiáng)化作用，施膠面的

85、強(qiáng)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(xué)性能的好壞，對(duì)于收縮率不大的蜂窩紙板來說，適當(dāng)?shù)厥湛s會(huì)起到強(qiáng)化作用，提高了蜂窩紙板的力學(xué)性能，而對(duì)于收縮率較大的蜂窩紙板來說，會(huì)造成蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的破壞，降低了蜂窩紙板的力學(xué)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(gè)一個(gè)的封閉的小空間，其內(nèi)部儲(chǔ)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(chǔ)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(qiáng)增大，起到一定的承載作用，這對(duì)于提高蜂窩紙板的力學(xué)性能和緩沖能力是有益的。另外，生產(chǎn)時(shí)的溫度如果高于使用時(shí)的溫度，則蜂窩紙板內(nèi)的其體會(huì)壓縮，壓強(qiáng)減小，低于外部的大氣壓，相當(dāng)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(xué)特征</p><p>　　5.2.1 蜂窩紙板的基本力學(xué)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(gè)方向的力學(xué)性能，造成蜂窩紙板在各個(gè)方向上的力學(xué)性能顯著差別。蜂窩紙板在三個(gè)相互垂直的方向上的力學(xué)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(gè)方向上的承載能力的大小順序?yàn)椋篫>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(xué)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(xué)模型視為由兩個(gè)

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(xué)模型</p><p>　　5.2.3 蜂窩型緩沖系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)描述</p><p>　　蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，這種獨(dú)特的結(jié)

90、構(gòu)使它具有優(yōu)良的力學(xué)性能。首先，經(jīng)實(shí)踐證明將紙做成蜂窩狀，其立面的抗壓強(qiáng)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(huì)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(xué)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(dāng)紙張受力變形時(shí)，既會(huì)呈現(xiàn)彈性變形的某些特征，又會(huì)呈現(xiàn)流體的粘性，稱之為粘彈性現(xiàn)象。按流變學(xué)觀點(diǎn)，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(dāng)它產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的應(yīng)力與應(yīng)變時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(fù)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(shí)際應(yīng)用中起到彈性體的作用，它的應(yīng)變能式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　或

93、 （5-2）</p><p>　　對(duì)于連續(xù)函數(shù)，式（5-2）也可以寫成：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　這就是圖5-3中的陰影所對(duì)應(yīng)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(shí)，主要使用它的一個(gè)方向即“Z”向的緩沖性能（如靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)），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>　?。?）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(shí)候吸收能量的能力。</p

95、><p>　　緩沖系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p><b>　　(5-5)</b></p><p>　　式中，E為緩沖材料發(fā)生變形時(shí)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(yīng)力下，有相同的承載能力，材料的應(yīng)力與應(yīng)變曲線，曲線下面的陰影部分是材料變形時(shí)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(shí)a時(shí)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(yīng)力、彎矩和扭矩，紙芯形成的蜂窩夾芯主要承載剪應(yīng)力。</p><p>　　蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)對(duì)蜂窩紙板的力學(xué)性能的影響：</p><p>　?。?）蜂窩：對(duì)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(duì)蜂窩紙板的力學(xué)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(gè)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(gè)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(duì)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(diǎn)，蜂窩紙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(huì)發(fā)生孔間屈曲。</p><p>　　設(shè)正六角形的邊長為，則實(shí)際應(yīng)用中一般使用公式（5-7）所示的經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)度大于橫向剪切強(qiáng)度，其縱向剪切強(qiáng)度為</p><p><b>　　(5-8)</b></p><p>　　式中，為芯材剪切強(qiáng)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(huì)使材料質(zhì)量過大，因此可增加其厚度用來提高抗彎強(qiáng)度。</p><p>　　設(shè)復(fù)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(dāng)時(shí)，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(gè)根</p><p><b>

105、;　　或</b></p><p>　　因?yàn)椴环蠈?shí)際情況，所以只有當(dāng)滿足要求。根據(jù)的定義可以知道：當(dāng)蜂窩芯子占總質(zhì)量的時(shí)，抗彎強(qiáng)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(shí)，存在。</b></p><p><b>　　解得</b></p><p>　　因此，

107、當(dāng)芯子質(zhì)量=面板質(zhì)量時(shí)，彎矩最大，也即彎曲強(qiáng)度最大。通過對(duì)約束條件4和約束條件5的分析，從重量角度得出設(shè)計(jì)蜂窩芯復(fù)合材料的一個(gè)要求：為達(dá)到最大的彎矩強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，應(yīng)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(dǎo)，得到蜂窩紙板優(yōu)

108、化設(shè)計(jì)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(xué)性質(zhì)具有顯著的各向異性?？梢?，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(xué)性能應(yīng)該有明顯的差異。曾有人通過動(dòng)、靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度，較“面紙側(cè)向加載”結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(jìn)行蜂窩紙板包裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)原料紙板的厚度具體考慮蜂窩紙板的強(qiáng)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(qiáng)度高、重量輕、成本低，并可以回收再利用，順應(yīng)了人們保護(hù)環(huán)境、保護(hù)森林資源的環(huán)保觀念。由于它具有優(yōu)越的力學(xué)性能和良好的社會(huì)效益，與其他緩沖包裝材料相比，有著眾多優(yōu)勢(shì)，受到了各國的重視，有著良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。本文通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算研究了蜂窩紙板的隔振緩沖性能，得到了蜂窩紙板的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。</p><p>　?。?）蜂窩紙板所能承載的最大應(yīng)力隨壓縮

111、變形速度變化，在壓縮變形速度較小時(shí)，蜂窩紙板的最大應(yīng)力隨壓縮變形速度升高有逐漸上升趨勢(shì)；在壓縮變形速度大時(shí)，蜂窩紙板的最大應(yīng)力隨壓縮變形速度升高有逐漸下降趨勢(shì)。說明壓縮變形速度對(duì)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(shí)化階段四個(gè)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(dǎo)致非線彈性變形，在應(yīng)力與應(yīng)變曲線中出

112、現(xiàn)一個(gè)最大應(yīng)力，繼而產(chǎn)生塑性坍塌，出現(xiàn)一段較長的近似的平臺(tái)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(dá)式，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了模型的參數(shù)，將計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，擬合結(jié)果說明模型和函數(shù)表達(dá)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(jì)方案，為企業(yè)改進(jìn)和優(yōu)化緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 吳國榮，談蜂窩紙板[J]，包裝與食品機(jī)械，2003，21（4）：36-39</p><p>