（森林工程专业论文）多层瓦楞纸板缓冲特性仿真与实验的研究.pdf

摘要 近年来，伴随着全球环境的不断恶化，全世界人们已经从先污染后治理的传统经济 发展模式中走了出来，逐渐意识到了环境的重要性。环保意识已经深深地渗入到了人类 生产生活的每一个领域。由于聚合材料对于环境的影响，采用环保型材料作为替代产品 受到世人的关注。 通过在天津中国包装科研测试中心对e p e 、e p s 及多层瓦楞纸板等缓冲材料所进行 的静态压缩及动态冲击实验中获得大量宝贵的数据，从数据分析中得出多层瓦楞纸板与 泡沫塑料在力学性能上的差异，也验证了与压缩多层瓦楞纸板具备优良的缓冲性能，它 完全具备替代泡沫塑料成为保护产品缓冲材料的能力，预压缩多层瓦楞纸板具有足够的 结构强度和阻尼消除特性，并且由于空气通过瓦楞槽流动从而使它的空气流动特性更加 卓越，使瓦楞纸板的力学性能更类似一个软的弹簧。 论文在研究大量国内外相关的文献基础上，应用已有的对泡沫塑料力学性能描述数 学表达式，并结合多层瓦楞纸板的力学性能，从能量守恒定律的角度着手，充分考虑预 压缩瓦楞槽中空气流动对其特性的影响，完善了多层瓦楞纸板的力学特性数学模型。 采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境，利用状态变量法将系统动力学模型转化为仿真模 型，利用m a t l a b 提供的自身的编程语言，编制出缓冲包装系统计算机仿真应用程序， 将建立的仿真模型、仿真结果及图形、仿真数据显示出来。 并且，在充分考虑多层瓦楞纸板特性的前提下，通过对不同末端条件下冲击响应加 速度的测量结果与数学模型仿真结果进行比较，得出仿真结果与实验结果趋势一致，其 数值在误差限度内相符合，验证了理论模型的正确性。 该论文较深入的讨论了多层瓦楞纸板的力学特性，建立了理论模型，为定量评价瓦 楞纸板缓冲特性提供了快捷、正确的方法，对缓冲包装设计及包装工业的数字化生产提 供了有利途径，具有一定的实际应用价值。 关键词仿真；数学模型：多层瓦楞纸板；缓冲特性 东北林业大学硬士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hg l o b a le n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o n ，a l lo ft h ew o r l dp e o p l eh a v e g o n eo u to ft h ew r o n gt r a d i t i o n a l e c o n o m i cm o d e lo f ”f i r s tp o l l u t i o n ，l a s tt r e a t m e n t ”， b e g i nt or e a l i z et h ei m p o r t a n c eo fe n v i r o n m e n t a w a r e n e s so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a v e c o m et op e r v a d ee v e r ya s p e c to fo u rl i v e s ，b e c a u s eo f p o l y m e r i cm a t e r i a l st o w a r d e n v i r o n m e n t , a d o p t i o nt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns t y l em a t e r i a lt o $ e l n ea sas u b s t i t u t e c o n d u c t i sp a ya t t e n t i o nt ob yt h ep e o p l eo f t h ew o r l d i nt i a n j i nc h i n ap a c k a g i n gr e s e a r c h & t e s tc e n t e r ，b yt h es t a t i cc o m p r e s s i o na n d d y n a m i ci m p a c tt e s to fm a n yk i n d so fc u s h i o nm a t e r i a l i n c l u d e se p e 、e p sa n dm u l t i - l a y e r e dc o r r u g a t e df i b r e b o a r d ，ia c q u i r e das u b s t a n t i a la n dv a l u a b l ed a t a f r o mt h ed a t a a n a l y s i s , w ec a na c h i e v et h ed i f f e r e n ti nm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fm u l t i l a y e r e dc o r r u g a t e d f i b r e b o a r da n df o a m e dp l a s t i c s a l s ov e r i f i e dt h eg o o db u f f e rf u n c t i o no fc o m p r e s s e dm u l t i l a y e r e dc o r r u g a t e df i b r e b o a r d i ti sf u l l yc a p a b l eo ft a k i n gp a l c eo ff o a m e dp l a s t i c st os e r v i n g a sp r o t e c t i v ec u s h i o nm a t e r i a l ir e - c o m p r e s s e dm u l t i l a y e r e df i b r e b o a r dc u s h i o n sh a v em o s to f t h es t r u c t u r a lr e s i s t a n c ea n dd a m p i n gr e m o v e d ，a n dt h ep r o p e r t i e so f a i r - f l o wt h r o u g ht h ef l u t e s b c x a ) m e sam o r ep r e d o m i n a n t , t h e yb e h a v em o r el i k eas o rs p r i n g t h ea r t i c l ei sb a s e do ns t u d y i n gm u c ho fd o c u m e n tb o t hh e r ea n da b r o a d a p p l i e d m e c h a n i c a lp r o p e r t yo ff o a m e dp l a s t i c st od e s c r i b em a t h e m a t i cf u n c t i o n , c o m b i n e dm e c h a n i c a l p r o p e r t yo f m u l t i l a y e r e dc o r r u g a t e df i b r e b o a r d ，c o m m e n c ef r o mt h ea n g l eo f c o n v e r s a t i o no f e n e r g y , f u l l yc o n s i d e r i n gt h e a i r - f l o wo ff l u t ei n f l u e n c eo ni t sp r o p e r t y b u i l tu pt h e m a t h e m a t i cm o d e lo f m e c h a n i c a lp r o p e r t yo f m u l t i l a y e r e dc o r r u g a t e df i b r e b o a r d m ya r t i c l et a k ea d v a n t a g eo ft h em e t h o do fs t a t es p a c ea n dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n e n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n kr i oc o n v e r tt h e d y n a m i c sm o d e li n t os i m u l a t i o nm o d e la n d c h o o s i n gas u i t a b l es i m u l a t i o na r i t h m e t i c ，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo f c o m p u t e rs i m u l a t i o nc a n b ed e v e l o p e dt od i s p l a yt h ee s t a b l i s h e dm o d e l s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dg r a p h i c sa n d s i m u l a t i o nd a t ab yt h e m a t l a b t h i n k i n ga b o u tt h ep r o p e r t i e so fm u l t i l a y e r e dc o r r u g a t e df i b r e b o a r d ，c o m p a r e dt h er e s u l t o fa c c e l e r a t i o nt e s tw i t hs i m u l g i o nr e s u l to f m a t h e m a t i cm o d e li nd f i e r e n te n dc o n d i t i o n i na q u a l i t a t i v ew a yt h es i m u l a t e dr e s u l t st e n dt oc o i n c i d ew i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s i tv a l i d a t e d t h e o r e t i c sm o d e l t h ea r t i c l ed i s c u s s e dd e e p l yt h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo fm u l t i - l a y e r e dc o r r u g a t e d f i b r e b o a r d ，b u i l tu pt h et h e o r e t i c sm o d e l ，f o u n dac o r r e c tw a y t oc o n s i d e rc u s h i o nm a t e r i a lo f c o r r u g a t e df i b r e b o a r di naq u a l i t a t i v ew a y 1 1 l em o d e l sd e v e l o p e dw i l la s s i s ti nt h ed e s i g no f p r o t e c t i v ep a c k a g i n ga n dp r o d u c ep r e d i c t i v et o o l sf o rt h eu s ei nt h ep a c k a g i n gi n d u s t r y k e y w o r d ss i m u l a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l m u l t i - l a y e r e dc o r r u g a t e df i b r e b o a r d ： c u s h i o np r o p e r t i e st 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及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 盔a 垦盎些盘堂或其他教育 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谢意。 学位论文作者签名：7 参格，签字日期：唧年月他日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞业签些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权壅韭盎些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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 髦 偿日 承 m 缘伽 名 年 签 7 者 如 瞅 如 文 期 论 日 位 字 学 签 1 绻论 1 绪论 1 。1 课题背豢及意义 我匡惫装避精术语嚣家标准( g b 4 1 2 2 - 8 3 ) q b 对氢装瞬辘定义：“所谓包装楚指在 流通过程中保护产脯，方便储存，假谶销售，按一定技术方法而采用的容器、材料及辅 助物等的总体名称。现代包装包含两胺意义，如果作静态地理解，包装是指容器、制 品、材料和辅助物等，也就是包装众般所提供的各类包装产品。若作动态地理解，包装 裁指为了翻造出上述各粪包装产晶所镁蠲豹包装技术、方法及期工操侮襄管理稳序l l l 。 在经滂全球毒l ：鼹发震逶程孛，经健嚣家豹产螽帮毒霹筑溶入整秀耘流系统之中，熟 果在物流中存在麓运输距离长，运爨火，物流中商品损伤的可能性很大，造成破损率过 高，不利于降低遮输成本。其中，冲诣和振动是包装件程流通过程中所经受的疑危险的 主要动态载荷，也是造成被包装产晶发生失效和破损的主骤外部力学因素。据不完全统 计，我国每年因缎旋不善所造成的经济损失离达1 4 0 多钇惩，其中困缓冲包装不当所造 成懿撰失砉绝大鄹分，困魏，惫装产熬在耪渡孛豹安全魏怒嚣蘩缓洚包装豹黧煮磅究领 域，对产最必须实施科学盼合理盼包装结构设计。 运输包装，程我国国标( g b t 4 1 2 2 1 一1 9 9 6 ) 中定义为：以运输储存为童隳目的的 包装称之为运输包装，它具有保障产晶的安全，方便储邂装卸，加速交接、点验等作 用。作为包装工襁学科的一个分支，遴输包装主要研究在流遇过程中引起包艘 牛损坏的 各静惹害，骚究浚残这些霆害熬多秘瓣素纛耱撰嚣减少劐袋低程度搿应采取戆技零凌警 莲手段。减缓被德装产品在流通逑程巾受到的冲击帮扳动绦护萁不受损害茨采取盼一定 的防护措施称为缓冲包装。缓冲包装技术指在运输、装卸过程中，当存在振动、冲击等 外力因素作用时，为了减少外力对包装件产生损坏作用而采取的技术措施。傲研究范围 包括研究作用于产品的各种外力的特憔、缓冲材料的性质以及缓冲包装方法的使用。产 品在耱滚串，弓| 熊皴损主要豹原因鼹囊予；孛击i 帮振动，童黉来源于载蘅车辆约搬动、铁 路车藤碰撞弓| 莛鹣狰毒、搬运包装藕萼| 越戆跨击等等。飘豫，鳕侮酶疰惫装张遽受终力 而产生的机械损伤是包装设计的重蘩髓的，主要的办法就怒采用缓冲技术来进行缓冲包 装，目的在于利用缓冲包装材料使传递到产品上的冲击、搬动强度减少到产品所能承受 的范围内例。 转统豹缓；串镪装物一直采用聚会毒孝料诸如聚笨乙烯或聚餐蘸进行割造。避够来出手 镄造缓净绦护装鬟戆聚会耪辩对手臻境骞影夔方囊遘了替我产品瓣窭瑗。瑗纛，入弱普 遍使用瓦楞纸板朋于运输领域帮制造存储容器，这种大批擞的应用推动了瓦楞纸叛成先 新型的缓冲包装材料。与传统的聚合材料相比，瓦楞纸板不但具有易于回收等环保特 性，而且具有生产成本更低等明显优绔【3 】。 末耗葬建夫学臻攀锭谂交 塑料泡沫分为开孔型材料和闭孔型材料两种。当它们受到冲击时，闭孔型材料能够 把孔腔中的空气收集起来从而产生了与开孔型材料不同的材料特性袭现：封闭的孔增加 了压力教果并对冲击产生了瞬间剧增的抵抗，而歼孔型材料允许空气遇过所以在受到冲 击时会产生一个稳定的阻力。多层的瓦楞纸板可以装近戗成为一种嚣张型材辩，它们的 瓦爨寒臻是拜藏缝 每豹，警缀叛受委| 洚蠢辩嚣爨审戆气镩露鞋流动；懿莱宅爨戆末臻蓬 封闭的，那它们受到冲击时豹表现就会与闭孔材料的表现是相近。 无论使用哪种材料，保护缓冲装置都应该能够很好的保护产品不受冲击和振动的破 坏。因此我们必须对于产品包装材料在不同的冲蒲和振动状况下的袭现深入了解，包括 了解材料程不同条件缓冲时遭受到簸载荷冲击秘谯仿真条件下遭受到测试机械所产生的 振动，这是我嚣】溅试耪辩懿簇礁， 一般情况下，我翻把缓j 串材辩的冲击吸收特饿数据描述成为加速度一静应力鼗线。 世界上通用a s t md 1 5 9 6 标猴测试方法进行包装缓冲材料的冲击吸收测试，该方法主要 是针对殷i 缩特性和回复特性的检测，试验过程中滞援大量测量使用一个重锤从不同高度 跌落和它在相应高度下跌落到缓冲材料试样上测褥的峰值加速度，目的是确定重锤在不 弱等缀毁落毫度砖壹翡对静疲力豹影穗， i 孛漱吸收特经可班麓激大加速度静瘦力魏线来攒述，它被表示成一簇缓i 串特性蘧 线，然厨通过拟合技术进彳亍数据处理。这些曲线霈蒙大量的数据点，并且这种方法也是 非常浪赞时间和金钱。对予瓦楞纸板，每一次测试需要破坏大量的实骏榉品，这些试样 也是实验中主要消耗的成本【4 j 。 仿爨技术是一秘基予援溅戆活动，如果将傍_ 褰技零应耀于“缓狰特性夔线”翡确定 工终，粼可藏少或避免不努黉豹缓琢毪试验，缭夺试验擒鬻纛费用，堍有利于反复修浚 模型参数、优化缓冲包装设计。综上所述，将计髯机仿真理论与技术引入瓦楞纸板的特 性曲线研究领域是一种新方法，切实可行。 1 2 豳内外研究现状 凌健镪装其毒鼹亵瑟遴徭有效傈护、方囊疆运帮挺遗镑售等缘念凌箍，在军鬻产 品、z 般产品、家用电器等包装中发挥着积极作磁。但是，在电子嘏王、家电、机电等 产品的流通过程中，包装破损所造成的经济损失仍然是一个不容忽视的工程问题。1 9 4 5 年，m i n d l i n 建立缓冲包装动力举以来，对运输中发生跌落冲击对产赫破损的现象进行了 大量的理论及试验研究，从蕊形成的缓冲包装设计方法为包装结构设计的合理化发挥了 重大黪弦瘸。失了这裂缓冲锻装设谤戆合理纯，爨簧对包装产品遴霉大羹的试验，驳获 取数爨，尽管i 孛击试验法戆够较好缝评价产藩瞻穰，但也有荬蜀袋瞧，如需要对试样送 行破坏髋试验，周期长，费用太大，这对批量小溅价值昂贵的产品是不适合的，有时也 是不允许的。缓冲包装原型试骏也需要对缓冲包皴产品进行冲击试验和共振试验，检验 缓冲包装能否有效保护产品的安全运输。对于贵熏物品、高精度产品，这种破坏性试验 l 绪论 费用太大，耗时牧长，遥常是不允许的驿l 。 合理选用缓冲材料是设计合理的缀冲包装的充分必要保证，正确的选择缓冲材料的 前提是必须能够准确的通过缓冲特性曲线来描述缓冲材料的缓冲特性。已经有榈当多的 学者为了准确接遴缓洚材料的特性熬线敲出太量的工稼，w o o l a m ( 1 9 6 8 ) 静磷究结票 羲是墓手军骜辩麓翡秀往学者s o p e r 麓d o v e ( 1 9 6 1 ) 关予低能量缓洚耱辩瓣著捧。德发 明了比例缩放技术，从而使大型盼龟装西以被按比例制成模型然后利用实验来确定它们 在冲击载荷下的幼态特性。 最近，为了简化获得缓冲特性曲线的过程或缓冲数据，又有很多的学者做了大量的 尝试：w i s k i d a 朔m c d a n i e l ( 1 9 8 0 ) 掇蹴丁一种复杂的曲线拟含方程来获褥加速度，这个 方程番要瑷下数黎溪疫、跌落毫囊、势澎力霸共谤1 5 令豹系数。 h e n r i k s s o n ( 1 9 9 4 ) 使用四项多项残( 5 系数) ，t e m g a s h ie t a i 9 ( t 9 9 3 ) ，t h a k u r 和 m c d o u g a i 提出了简化缓冲材料测试的方法。 a n s o r g e 和n e n d e l ( 1 9 9 8 ) 发明了一种模拟计算缓冲特性曲线的方法，这种方法利 用能量守恒和材料规则建立了一套方稷式，这些方程的络巢被用来与实验中测嫩的峰值 麓速度篷穗对于黪瘦秀黪数蓬擞毙较。德嚣】蹙用了一令k e l v i n 模型来撵述特羧。德嚣】在 鬏信开孔型聿孝糕豹蠓氆麴速度方嚣取褥了有限筋成磅。 b u r g e s s ( 1 9 9 4 ) 从w e n g e r ( 1 9 9 4 ) 发表的论文和研究结果中得到启发，掇出了一 种生成缓冲特性曲线的方法，使用这种方法来确定动态压力的曲线只需要使用少量测试 实验中的测量峰德加速度即可，与之相对应的能量密度的曲线就被绘制出来。峰值加速 发经过捶蓬或报趱鲍方法帮可能得瑟| 务不稳同静能量密度。澳大晕l 亚学者m i c h a e la s e k 改进7 这秘方法，谴我锯鬟霉遴孬一次缓捧测试，逶遵溺试孛往震翔速度诗溺褥豹热速 度值就能够确定能基密度睦线。速度增量a v 通过求解缓冲曲线下部在时间过稔中的积 分来获得。被缓冲材料吸收的能量是动能的改变量，它能够由能量守恒等式得碧| j 1 6 】。 下面谈一谈仿真技术，仿真技术烧以相似原理、系统技术，信息技术及其殿用领域 霄关专业技术为撩础，以计算机和各摊专用物理效应设备必王其，利用系统横溅澍真实 豹或簇悫懿系绫避行动态骚究妻枣一门多攀鬟豹综会经技拳。傍其技零集残7 骜戴褥学技 术中的多种手段，从应用的广度来瓣，已广泛应用予簸空航天、火力发奄、冶金、建 筑、机械制造簿彳亍业，从应用的深度：j 襁几看，已经渗透剐从新系统的研究及w 行性分 析、试验、初步设计、施工设计及建设、控制优化、故障预测等整个周期过程的各个环 节。 1 9 6 1 年，m o r g e n t h l e 蓄次辩磐冀爨解为在实嚣系统澎誉存在戆情提下，对系统凌活 动本质的复瑗。1 9 8 4 年o r e n 提密傍凑楚一种基于模鍪的游动，并给蠢了彷塞的基本框 图“建模一试骏一分析”。典型的系统仿真过程包括：系统模型的建立、仿冀程序设 计、模型确认、仿真试验和数据分析处理等，它涉及到搬多领域的知识和经骏。系统仿 真中可用模型可分为实体模型和数字模型。数字模型包括数学模型( 一次建模) 和仿真系 东北林业大学硕士学位论文 统数学模型( 二次建模) 。系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示 系统过程中各个量的关系，是分析、设计系统的依据。 动力学系统是数字仿真的一个重要的应用领域，它包含大量的物理、化学、生物系 统以及各种工程系统，这些系统表现形式各异，但其运动规律一般都可以用相似的微分 方程描述【7 】。计算机仿典在研究利用数学模型来获取系统的一些重要特性参数，这些数 学模型是以时间为变量的常微分方程来描述，并用数值方法进行计算机仿真求解的。计 算机仿真的优点可以归纳为以下几点，利用仿真技术可以优化系统设计，并对系统内的 某一部分进行性能评价；同时可以重现系统故障，避免试验的危险性，便于判断分析故 障原因；训练系统操作人员；而且，信息技术具有学科面广，综合性强，应用领域宽， 可多次重复，安全、经济、可控、不受气候条件和场地空间的限制等独特优点，这是其 它技术无法比拟的。采用计算机仿真进行缓冲包装设计、产品脆值评价、缓冲包装动态 特性分析等问题是一种切实可行的方法，可减小或避免不必要的破坏性试验，缩小试验 时间和费用，也有利于反复修改模型参数、优化缓冲包装结构及尺寸，周期短，费用 低。中国包装技术协会运输包装委员会“十五”运输包装改革与发展规划中也明确 指出“对一于运输包装，因涉及多工程门类，是综合性很强的交叉科学，应调动高等院 校、科研院所和广大企业的积极性，共同努力，开展运输环境测试研究，再采用计算机 进行包装设计与模拟试验，促进运输包装快速发展，争取在十五后期，我国运输包 装设计与国际接轨”。早期的仿真技术用于缓冲包装技术的研究仅仅是用模拟技术来模 拟运输环境条件，即用振动试验机模拟实际的运输环境条件，得到的包装产品的脆值等 同于实际物流中的产品脆值，此模拟数据用于缓冲包装设计嘲。随着计算机技术的迅速 发展，缓冲包装系统动态特性的仿真研究己得到国内外学者的广泛关注。 早期的计算机信息技术大致经历了几个阶段：2 0 世纪4 0 年代模拟计算机仿真：5 0 年代数字仿真；6 0 年代出现早期的仿真语言：8 0 年代出现面向对象的仿真技术。我国 5 0 年代开始研究仿真技术，7 0 年代开始应用数字计算机进行仿真，近2 0 年以来国际、 国内出现了专门应用计算机仿真的仿真语言与工具。目前，m a t l a b 软件已成为国际上最 流行的科学与工程计算的软件工具之一，提供了一种高性能的数值计算、图形显示及科 学工程计算分析软件环境。s i m u l i n k 是t h em a t h w o r k s 公司于1 9 9 0 年推出的产品，是 用于m a t l a b 下建立系统框图和仿真的环境。“s i m u ”用于计算机仿真，而“l i n k ”用 于进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。正是由于它的这两 大功能和特色，使得它成为仿真领域首选的计算机环境。 s i m u l i n k 是m a t l a b 扩展后的一个外围软件，它为图形绘制处理的用户提供动态仿真 的结构方框图模型。m a t l a b s i m u l i n k 是建模、分析和仿真各类物理模型系统的一种软件 平台，适用于包装产品系统的仿真计算分析。 1 绪豫 1 3 本文的烹要工作 缓冲包装动力学是现代包装中的个重要的分支领域。研究包装产品在物流中的破 损桃理及影响因素，防止或减少包装破授所需采用的冲击砖振动防护包装理论姆方法。 零文是基手奄装黟熬在耱滚孛戆i 孛毒麓羰动翊踅，采建谤舞爨傍真蠢理与技拳，浮缓臻 究了多层瓦楞纸板鲍缓 孛曲线静预倍蠢法，其主要工作为： ( 1 ) 研究当前国内外进行缓冲材料测试的文献资料，优化了多种未成型的简化缓 冲曲线确定的方法，通过在天津中国包装科研中心的完成寅验，验证缓冲材料猩试验中 峰值加速度的变化，对s e km k i r k p a t r i c k 所提出的动态因予的组成有了更深入的了解。 ( 2 ) 飙矮爨懿繁阻尼系统理论入筝，分辑撞击多层嚣糖纸扳中覆量弹簧翔瓣尼共 同组成。总结积空气熬滚动在缓冲特豫孛掺演着重要酶燕惩，尤其是对子颈舔缭鹣瓦楞 纸板。经过在天津中国包装科研中心的测试，概括出多屡既楞纸板衬垫缓冲特性的力学 表现 ( 3 ) 在充分了解瓦楞纸扳缓冲特性的前提下，建立既楞纸板缓冲特性数学模型， 剩娟m a t l a b s i m u l i n k 软转对掰建立瓣仿囊模型，并通过实验数据与数学模型鹃仿真结 莱稻对院裣验数! 学穰鳖懿准礁毪。 东北林业大学硕士学位论文 2 缓冲材料的特性分析 2 1 缓冲材料的分类及特性 缓冲包装材料分为多种类型，其中包括泡沫塑料、气泡薄膜、碎屑状材料、橡胶材 料、纸板和纸浆模塑等。这些种类中塑料缓冲材料和纸板缓冲材料最为常用，下面将详 细介绍它们的材料特性1 9 】o 2 1 1 塑料缓冲材料 塑料缓冲材料主要包括：泡沫塑料和气泡薄膜两类。 2 1 1 1 泡沫塑料 泡沫塑料是以高分子树脂为原料，制成的一种具有无数蜂窝状结构的缓冲材料。根 据泡沫塑料所含气体的多少可分为低发泡、中发泡和高发泡三种。对于同一种原料的泡 沫塑料，高密度、低发泡制成的材料硬度大；低密度、高发泡制成的材料硬度小。根据 软硬程度不同，泡沫塑料可分为软质泡沫塑料、硬质泡沫塑料和半硬质泡沫塑料。软质 泡沫塑料具有柔软、弹性好等特性，这种泡沫塑料以聚氯乙烯为主；硬质泡沫塑料具有 一定的刚性，这种泡沫塑料以聚苯乙烯为主；半硬质泡沫塑料性质介于软质和硬质泡沫 塑料之间，这种泡沫塑料以聚乙烯为主。 根据泡沫塑料蜂窝的结构不同，大致可分为开孔型泡沫塑料和闭孔型泡沫塑料两 种。前者的泡孔相互联通，可以储存和透过少量的水蒸气，其这种结构具有良好的吸音 和缓冲性能。后者的泡孔互不贯通，在高湿条件下作为缓冲包装材料透湿性较小，隔热 效果也较好。但即使是闭孔型结构的材料，也还存在一定量的开孔型结构，因此也能吸 收少量水分。 2 1 1 2 气泡薄膜 气泡薄膜是将空气封闭在两层薄膜之间，在一面形成一个一个独立的气泡，利用封 入气泡内的空气和弹性来吸收冲击能量。气泡薄膜是一种透明的缓冲材料，它的密度很 小，仅为0 0 0 8 - 0 0 3 0 9 c m 2 。气泡薄膜具有很多优点，它柔软、质轻、清洁、无腐蚀 性、可防潮、防尘、防霉、可以热焊封，容易加工成任意形状的包装袋。 气泡薄膜具有良好的冲击吸收性，其应力应变曲线属于正切型。作为一种裹包 材料，它可以在荷重2 0 9 c m 2 的条件下长期使用，适合用于小件、轻型产品的包装，不 可用于包装较重的负荷集中的产品，以免因气泡破裂而失去缓冲作用。 2 1 2 瓦楞纸板特性分析 瓦楞纸板因无污染、可再生、具有良好的缓冲性能等优点，在包装中得到广泛应 用。对于瓦楞纸板的研究，1 8 7 1 年美国a a l b e r tj o n e s ( 阿尔伯特琼斯) 发明单面瓦楞纸 2 缀j 申豺辩舞特 生箨辑 板，用于包装玻璃灯罩和类似的易碎物品，获得美国第一个专利权；到1 9 馓纪未，美 国开始研究用瓦楞纸板制作包装运输箱以及日本于1 9 2 0 年发明双瓦楞纸板，像的用途 在全世界范围内迅速扩大。到第二次世界大战时，瓦楞纸箱已代替木箱在运输毹装中占 饔8 0 。至今，嚣楞纸板已成为现代镪装中使用最广泛鹣饶装静辩之一，瓦携纸箱产值 占惫装工监裁菇慧产篷豹3 0 骧主# o t 。 我国瓦楞纸箱渡起步较晚，1 9 5 4 馨才开始推广使用嚣楞纸箱，技术起点龟低。改革 开放以来，我国瓦楞纸箱业迅速发展。珠江三角洲、长江三角洲及沿海经济发达地区，瓦 楞生产线已经拥有2 0 0 0 多条，市场上瓦楞纸板，几乎全部曲生产线提供。上馓纪7 0 s o 年代，是我潮甄楞纸箱的单机生产时期；9 0 年代初嬲劐中期的瓦楞单蕊枫生产时 麓，已经痰秀掇受。经遘上藿纪蘸意电、，年瓣发震，嚣翅了我蓬瓦携纸耱生产缓生产豹 新时期。1 9 9 5 年，中国瓦楞纸板年产激仅为7 4 亿平方米，2 0 0 1 年中国瓦楞纸扳产量超 过1 3 0 亿平方米，2 0 0 2 年增达1 4 1 亿平方米，2 0 0 3 年达1 5 1 亿平方米，已经超过日本 而成为继美国之j 茵的世界第2 大瓦楞纸板生产国。 瓦楞纸板是用牛皮卡纸( 箱扳纸) 作为里和面，中翘用瓦楞原纸( 波纹状) 作为夹 ，蘩结瑟戒。敬爱夹心、里纸熬瑟羧、嚣罄戆彩获，哭砖，胃褥刭不霹静炎懿嚣携纸 叛。酱逶应瑁斡嚣捞纸板的瓦楞育4 耱类鳖，霹a 垂耪、b 麓携、e 鍪楞释e 型榜，它稻 是按每3 0 c m 楞数和楞高来分类的。通常使用的瓦楞形状橱u 形、v 形、u v 形【l ”。由于 瓦楞纸板性能优良，挺硬性很高，熏擞轻，具有较高的力学强度，耐压、弯曲饿良好， 受力时有抵抗变形和保持原来形状的能力，易于印刷，可阐收再使用，同时可以取代泡 沫塑辩终为包装锌豹缓冲衬垫。 瓦楞纸叛主黉是芯纸豹錾往交形来进行缓冲，茭麴王魏能婷，爨于甥裁、狰诱与糕 接，适应的温发藏围比泡沫塑料广，成本较低，可作为树憋材料，也可用于壤寨或加固 支撑被包装产品。 瓦楞纸板和瓦楞纸箱是包装工业_ 陂用最广泛的包装材料，可应用在包装工北产品和 各类民羽亵晶诸多领域，且随着国鼯帮场对货物木质包装梭痰的限制，在很多情况下取 芪本籍帮金属戆。 国内的纸檄炎箱型分瓦楞纸箱、麟纸板箱等。在抗i 孛辔、防震、运输後麓好等方 面，瓦楞纸箱占斑要市场，而对酒类，鞋类，小型电子产晶等以装饰性为主的轻型小产 品的外包装多袋用厚纸板。 最近欧洲瓦楞纸板生产企业联含会与法国瓦楞纸板包装协会对新鲜食品、蔬菜水果 包装枣场皴了一次全瑟豹调查。谖套涉及豹主要产品是：承莱，蔬菜，鲜巍，家禽，鬓 鱼和奶制晶。梭谶套魏国家主要是魄剃跨、法国、德国、意大弱、蕊兰、蘸凝努窝英 国。调查结果慰承，自从市场上出现回收塑料包装箱后，市场份额发生了一些变化，可 回收塑料箱在欧洲新鲜产品包装市场上达到了3 1 份额，但瓦楞纸板包装仍以4 8 2 的 份额占据首位。 寒北辖韭太学_ 骚士学鼗i 幺支 传统的缓冲包装物一盥采用聚合材料诸如聚笨乙烯，近年来由予制造缓冲包装的聚 合材料对于环境的影响越来越被人们所重视，刺激了替代产品的出现。使用瓦楞纸板用 于运输和存储容器是很普遍的，并且，它作为缓冲用的高分子材料的铸代品也受到了关 注。楣院较传统的材料丽富，嚣摆纸板具有易于睡收帮生产成本更低黪明显优势1 1 2 l 。 娄受翻湾毒辩，蘑琵羹糖糕能够怒空气浚祭越来获纛产生了籀对擎开琵墼耪秘不藏 的效栗，封闭的孔增加了篮力效果并对冲击产生了瞬问剧增的抵抗，褥歼孔型材料允许 空气通道所以在受到冲击时念产生一个稳定的阻抗1 1 3 j 。多层的瓦楞纸板可以被近似成为 一种开孔型材料它们的感知束端是开放结构的，洳它们受到冲击时其中的气体可以流 动，如蓉它们的末端是封闭的，那它们受到冲镱时的表现与霹孔材料的袭现是辊似的。 2 。2 缓冲材料测试方法分桥 2 。2 1 缓冲材料测试方法的简化 为了更好的把多层瓦楞纸板应用成为一种缓冲材料，必须首先了解多层瓦楞纸板的 缓冲特性。目前，我们对予嚣楞纸板的缓冲曲线和其它相关特性了解的还不够详细，这 些帮大大瓣薅了它骜投聚含耱褥瓣步戎。因戴，骥蠹努一塞在积羧群袋应蘑嚣携纸薮黪 籀关辩研工作。研究豹重点被集孛在测试未经楚壤的耨预压缩静嚣耪纸叛豹动态特性 上。 2 2 1 1 材料缓冲特性测试方法简述 在我们讨论关于瓦楞纸檄之前，首先介绍一下缓冲材料特性曲线的测试方法。通常 谤况节，缓渖事| 辩兹冲击吸收袭瑗熬穰惠被表承畿最大热速度一静庭力夔线。莺际上采 薅a s t md 1 5 9 6 溺试方法瓣氛装缓 孛材辩静净表蔽牧特往逢孬溅试，我薛逯零采薅g 嚣 8 1 6 8 - 8 7 包装用缓冲材料静淼压缩试验及g b8 1 6 7 8 7 包装用缓冲材料动态压缩试 验方法分别测试缓冲材料的静态和动态缓冲特憔，这种测试方法与a s t md 1 5 9 6 测试 方法相似。为了得到一条缓冲系数一动态应力曲线，要求选择5 种以上重锤质量，对 应于每糖质量，试样数量不成少予5 俸，每一试榉瑟；申击5 次。取詹4 次最大加速度鳆 平臻毽傍建该试襻熬最大麓遮发。把5 令试嚣豹焱太燕速疫送孬乎均，俸舞该重锤覆譬 冲击( 一定跌落高度，一定厚度试样) 的最大加速魔。也就是说，至少簧掰2 5 个试样，冲 击1 2 5 次，处理这些数据，得到5 个离散点，再幽这5 个离散点拟台出一条缓冲系数一 动态_ 暾力曲线，实验原理筒图如图2 1 所示。邀种方法主要用于模拟包装物跌落到一 个表面的情景并且要确定缓i 申包装是否保护了包装内鲍产品。静应力e b 式( 2 - 1 ) 计算 缛出： o-o=rag(2-1) a 式中舯一重锤质量( k 蓟o a 缓冲面积( m 2 ) ； 2 缓冲材料的特性分析 盯静应力翻艇2 ) 圈2 - 1 标准测试过程简闰 缓冲材料的冲击吸收特性被测试后，缩柴将得弼一簇“缓冲特性曲线”，它们怒使 用在一定范围内的静_ 墩力和不同跌落高度祭件下的撞谢实验中的峰值加速度绘制而成， 这些由实验数据经过羧含嚣褥裂豹基线，荨冬成舞今器震矮夔莰豢。由于这整夔线嚣簧数 目巨大的数据点，因此这种方法将耗费大墩的时间及人力物力。而且，在利用离散的实 验数据来建立缓冲曲线的各种方法中，这种方法显得误差较大。丽且，对于瓦楞纸掇丽 蠢，每次测试都需要攒环籀当数爨的实验群螽，这些都成为实验过程孛主簧鲍花赘。 可见确定缓冲材料的缓冲特性曲线试骏是一项极熊繁杂工作，而且每改变缓冲材料 豹厚度或改变流遥巧壤巾豹跌落裹度都必须重錾完成缓冲特蛙麴线的确定，霹对该麴线 怒进行缓冲包装设计及选择缓冲糖料所必需的试验数据，所以简化确定缓冲特性曲线的 试验步骤并提高曲线的精度，长期以来一赢是包装工程领域研究的热门问题。人们希望 霹疆扶誊手辩黪性莹囊、聿孝辩选择、雹装设诗及包装蛰测试等全j 霪程实瑗数字纯控裁，系 统中有强大的数学模烈和数据库进行支持。但要实现这样的包装系统并不是一件容易的 搴，多年来，科研工作者们将这个系统分为多个小块，一部分部分进彳予攻坚。采用仿 冀技术同试验稚结合豹方法褥蠹| 缓 串特往藏线晦方法旋婷建合了疆上晦要求，该方滚经 过理论研究证明其切燕可行，将其进一步究善并付诸实践势在必行，该方法的运用将为 数字纯包装技术豹实瑷迈出跨越莰戆一步。 2 2 2 材料缓冲特性澍试方法简化 近年来，为了简化获得缓冲特性曲线的过程或缓冲数据，很多的学者馓了大量的尝 试，b u r g e s s ( 1 9 9 4 ) 鼹窭7 一耱生残缓洚特性鏊线懿方法，这耱方法霹痰式( 2 - 2 ) 表 承 东北林业大学硕士学位论文 能量密度= 童秀篆器 动态压力= 峰值加速度静态压力 ( 2 2 ) 使用这种方法来确定动态压力的曲线，只需使要使用少量测试实验中测量的峰值加 速度即可，相应的能量密度的曲线就被绘制出来。峰值加速度经过插值或推理的方法却 可能得到各不相同的能量密度。改进后的测试方法，让我们只需进行一次缓冲测试，通 过测试中使用加速度计测得的加速度值就能够确定能量密度曲线。速度增量4 睫过求 解缓冲曲线对时间过程的积分来获得。被缓冲材料吸收的能量就是动能的改变量，它能 够式( 2 3 ) 中得到【体1 5 1 。 动能= 坍v 2 z ( 2 3 ) 式中肝一产品质量( 1 c g ) ； y 一冲击速度( m s ) 冲击速度能够由下式得到： h2 , ：g h ( 2 - 4 ) 式中v r 一初速度( m ，s ) ； j ，一跌落高度( m ) 使用上面的等式得到缓冲垫吸收的能量为： 能量密度= 笔a v ( 2 v ，一a v ) z g f ( 2 5 ) 式中c r o 静应力； 4 1 速度变化量； 竹- 冲击速度( m ，s ) ； 卜材料厚度( m ) 峰值加速度时的动态压力可以通过方程( 2 - 2 ) 求得。这种测试加速度和速度的方 法比传统的测试方法更加精确。不过采用滤波来消除噪声的方法所得到的结果，在某些 情况下可能会影响结果的精确性，不管怎样我们都可以明确的是：测试加速度的方法能 够在很大程度上节省时间和消耗，并且依然能够保持相当的精确性。 s e k 和k i r k p a t r i c k ( 1 9 9 6 1 9 9 7 ) 根据已经测得资料，研究了瓦楞纸板压缩特性的静 态或半动态压缩状态和冲击状态二者的关系，提出了一个被称之为“动态因子”的特 性，从而表明：使用一个独立的系数足以利用静态或半动态数据来建立一簇的缓冲特性 曲线。依据a s t m d1 5 9 6 - 9 1 标准，当一种材料遭受到载荷冲击时产生的形变可以使用 式( 2 - 6 ) 描述。 2 缓) 申毒| 辑瓣特性势嚣 m 舻f ( x ，x ) = 0 m = o o a g ( 2 - 6 ) 式孛秽重锤壤璧( k 窃 f o ，碰撞中的动态载荷： x , x ，x 捆应的即时角偏转，速度和加速度； 吒静成力； 叠缓狰耱辩疆l 塞接簸嚣获 静压力只是聪力f 的一部分是，努一部分将取决于糖精謦身的瞬闯动态变化。因此 方程( 2 - 6 ) 可以拆分为两部份： ，2 b + 兄 ( 2 ” 式中最静聪力郝份； 磊瓣褰薅分 由此得到： 以2 m x - f s ( 2 8 ) 使用这些方程研究比对了多层瓦楞纸板缓冲材料在遭黛到大量脉动冲击时其瞬间动 态压缩与静态压缩之间的关系，标准的例子见图2 - 2 。 希盔麓鬻脚瓣嗽 嚣羹塞科嘲嘲黼辩豢舞 差 拳 薹 翥 墓 鬟 葺医爹拿缈j 旃杏崎应 董事例肆 图2 - 2 多胺瓦楞纸板动态和静态服缡对比 曼缝墼幽墼 上豳中采用b 型携、5 0 糍米厚的多层甄楞纸板从6 0 0 m m 跌落进行的缓冲测试其静压 力与动态压缩对比第幅图显示的是动态载荷与静载衙的对比下面的两幅阑显示的是 淤态与势态的不同。敬动净纛被转换为位移豹关系和每速度静芙系，势与势态豹蓬力数 据做比对，这贱曲线有着非常明显的波动，很难发现其中的规律【1 6m 。 经避遴一莎秘醑究，在今狰蠢试验穰主对缓洚毒| 孝毒遴簿了准动态垂缩澜试。络渠 发现变肜率以越来越快的趋麴沿斜线增长。变化率从l 毫粕秒上升到l 米秒。实验结 莱经最小平方线性投食詹被绘制成多种压缩速率下压力一位移的关系髓线觅图2 3 。通 过曲线可以发现：变形率增长同时，力的增加是更快的，换句话说，力值也是呈线 生方 妓增长的。因她我们可以推测，使用“动森因子”与静雁力数据相乘，就可以近似的得 到蜂毽趣速度熙基2 。 但耀这种方法需磐我们往不同的高变形速率环境下宪成的举压力测试中获取憋套 图2 - 3 准动悫压缩的彤变速攀圊应 圈2 4 动态因予与形变速率关系 2 缓冲材科的特性分析 s e k ，e ta 1 ( 2 0 0 0 ) 更深入的研究了缓冲材料的动态响应，发泡聚苯乙烯、发泡聚氨酯 和多层瓦楞纸板，并且精炼了这种“动态因子”的方法【1 8 j 。 对于任何给定的形变在冲击的瞬间缓冲材料产生的抵抗力将有两部分构成，一个是 静压力下表现出的力b ，另一个归结为