（材料学专业论文）蜂窝纸板组合构件缓冲性能研究.pdf

摘要 蜂窝纸板材料是一种环保性材料，随着我国经济的发展，特别是近年国家对环境保 护的重视。采用环境性能友好的蜂窝纸板代替环境性能较差的发泡塑料缓冲材料已经成为 发展绿色运输包装的重要途径。 本文主要研究了蜂窝纸板作为缓冲包装材料的适用性。研究了湿度对蜂窝纸板性能 的影响。研究结果表明，蜂窝纸板在不同湿度环境下表现的抗压性能随着湿度的增加而降 低，拟合曲线基本符合二次曲线规律。 对叠置蜂窝纸板抗压性能及静态缓冲性能进行了研究。两层叠置纸板压溃的过程主 要分为七个阶段；并且发现错对和正对两种不同叠置蜂窝纸板的抗压性能基本相同，叠置 蜂窝纸板与单层蜂窝纸板压溃强度基本相同。 本文研究了蜂窝纸板的动态缓冲性能，并得到了蜂窝纸板的最大加速度一静应力曲线 及动态缓冲系数一静应力曲线，为蜂窝纸板缓冲包装结构设计提供了理论依据。 对平板玻璃进行破坏试验，测试了平板玻璃的脆值以及许用脆值，根据最大加速度 一静应力曲线和测试的产品脆值，设计包装衬垫方案，对包装件进行变频振动试验，研究 了缓冲衬垫的频率特性，并根据定频振动试验和跌落试验的试验结果进行了优化选择，确 定最终的缓冲衬垫设计方案。 关键词蜂窝纸板；湿度；叠置；缓冲性能；缓冲衬垫；振动试验 m r e s e a r c ho t h ec u s h i o np r o p e r t i e so fh o n e y c o m bc a r d b o a r d c o m b i n a t i o ns t r u c t l l r e a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l 叩m e n to fo u re c o n o m y t h e 锄v i r o m e n t a li s s u ei sb e c o m i n gm o r ca n d m o r ei m p o r t a n t t h es a n d w i c hc 耐b o a r di sa 咖e o f 黟e e nm a t e r i a l ni so n eo f 也ei m p o r t a n t s 缸a t e 垂e st 0u s es a u l d w i c hc a r d b o a r d 嬲e n v i i 0 呦t 衔e n d l yc u s l l i o nm a t 甜a li i ld e l i v 谢n g p a c 虹n gd e s i g n t 1 1 i sp a p e rs t u d i e dm ec o m p r e s s i o np r o p e f t yo fh o n e y c o m bc 耐b o a r di 1 1d i 岱孙m t h l m l i d i 够i ts h o w e dt h a tw i t ht 1 1 ei 1 1 c r e a u s eo ft 1 1 eh u m i d i t y ，也es 协e n g t l lo fh o n e y c o m b c a r d b o a r di sd e c r e a l s e d ，a n d l e 仃e i l dc u r v ei sj u s ts i m i l a rt ot h ec o i l i c t h ec o n l p r e s s i o np r c i p e r t yo f 铆od i 行e r e n th o n e y c o m bc a r d b o a r dc o m b i n a t i o ns 仃u c t u r e s 如ds i n g l es 仇l c t u r ew 勰t e s t e di nt h ep a p 既i tw 弱f o m l dt 1 1 a tt l l ec o m p r e s s i o np r o p e r t yo f c o m b i n a t i o ns 缸1 l c t u r ci sd i 毹r e i l t 舶m 也a to fs i i l g l es 仃u c 仙广e t h ec o m p r e s s i o nb r e a k a g ec u n ，e f o rt 1 1 ef o m e rc a i lb ed i v i d e di 1 1 t os e v e ns t a g e s ，w h e r e 嬲s i l l 酉es 仃u c t u r e sc u 【r v eh a so i l l yf o u r s t a g e s i na d d i t i o n ，t h ec o m p r e s s i o np r o p e r t yh a sn oe v i d e n td i f f e r c ef o r t h et w oc o m b i l l a t i o n s 觚c t u r e s i tw a u s a l s of o 吼dt h a tt l l em a x i n l u ms 咖g t ho fb r e a k a g ef o r 押od i 舵r e l l t c o m b i n a t i o ns n l l c t u r c sa n ds i l l g l es 饥i c t u r ei sd i f j f e r e n t h i 也ep a p e r t h ec u s k o nc u w eg m 一w a sd r a w nt o o a n dm er e s u l ts h o w e d b a s e do n t h eg m 一c 切e ，t l l e c 一 c u ew 硒加，w h i c hi se s s 锄t i a li nd e l i v 嘶n gc u s h i o n p a c l ( i n gd e s i g n t h e 丘a 百l i 够o ft h en o a t 酉a s sw 嬲r e s e a r c h e db yn l ed e s 仃l l c t i v et e s t 锄dt h e i lf i v e c u s h i o nd e l i v e r i n gp a c k i n g s y s t e m sf o rt l l en o a t 百鹊sw e r cd e s i g n e du s i n gh o n e y c o m b c a r d b o a mc o m b i n a t i o np a d s f r o i mt h ef | v es y s t e m s ，也eo p t 血1 i z e ds y s t e mw a sd i o s e nb a s e do n t h ev i b r a t i o nt e s t s k e y w o r d ：h o n e y c o m bc 耐b o a r d ；h u m i d i t y ；c o m b i n a t i o ns 仇l c t u r c ；c u s l l i o np r o p e r t y ；c u s h i o n p a d ；v i b r a t i o nt e s t 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，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 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：寺稳l 矽矿阡莎月肛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校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( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，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 文全部或部分内容 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密西 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 锥 乡锄 印移 sr 王b 砂帝台af 6 日 致谢 本论文是在导师徐长妍副教授的悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度，实事求 是、一丝不苟的科研作风，渊博的专业修养，开放活跃的学术思想都让我受益终身。值此 论文结稿之际，我谨向导师致以诚挚的敬意和衷心的感谢! 感谢南京林业大学包装工程系各位老师在试验过程中对于本人的帮助，感谢陈赛楠 同学，郭勇学长，同学张云、叶永连、闰微丽、蒋永涛，师妹胡满青，在试验过程中提供 的帮助和支持。 向本论文所引用或参考的所有著者表示敬意和谢意。 齐健 2 0 0 8 年6 月于南京 1 1 引言 1 绪论 目前运输包装中使用较多的缓冲材料是e 船( 发泡聚苯乙烯) ，剧氇( 发泡聚乙烯) ， 但是e 船、e p e 等材料使用后不易回收，对环境造成白色污染，并且在生产过程中消耗 能量较大，降解时间很长，对环境造成长期的污染。 蜂窝纸板作为一种纸质运输包装材料，目前应用越来越广，其理论研究也在逐步深入， 本次课题针对蜂窝纸板作为运输包装用缓冲材料进行研究，为以后蜂窝纸板的缓冲设计打 下基础。 蜂窝技术的发明和应用已有5 0 多年的历史始于军品，后沿用于民品军品和民品都是 运用蜜蜂窝状作芯，经过复合成材、军品使用的是铝合金原料民品是使用纸作为原料，基 本原理一样蜂窝纸板在发达国家广为使用已达数十年，技术早已成熟，应用领域不断扩大。 我国蜂窝技术，先由航天工业引进，用于制造航天材料，在8 0 年代研究应用于民用的蜂 窝纸板，蜂窝技术是一项科学的，成熟的具有很高实用价值的技术【l 】。 蜂窝纸板的结构为上下两层面纸( 或纸板) ，中间为自然蜂窝状的芯纸，用一定的粘合 剂将芯纸粘合在两层面纸之间，形成下层状结构，这一点与单瓦楞纸板结构相似。蜂窝纸 板的厚度变化主要靠增加或减少蜂窝芯纸的厚度来实现，结构始终保持不变，其厚度可以 在5 聊朋9 0 珑聊之间变化，而不像瓦楞纸板要靠增加瓦楞的层数来增加厚度蜂窝纸板夹芯 相孔的尺寸可以变化，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【1 3 】。 1 1 1 蜂窝纸板材料的特性 与其它包装材料相比，蜂窝纸板具有以下主要特点： ( a ) 用料省、成本低。蜂窝拉伸成型时，只有1 一1 0 的蜂窝材料，其余皆为空气， 因而节约了大量材料，降低了蜂窝纸板的成本。 ( b ) 强度高、重量轻。单独的蜂窝类似于一面受压力，另一面受拉力作用的工字梁结 构，蜂窝纸板可看作一系列连续的工字梁所构成的网状结构，它可以承担来自各个方向的 作用力。独特的结构使其具有很大的强度重量比和极佳的性能价格比。 ( c ) 抗冲击、缓冲性好。蜂窝纸板的抗压强度是一定的，当外力超过这一值时，蜂窝 芯被压缩，形成很好的缓冲层，具有较好的韧性和回弹性，并可大量吸收外部的动能。其 缓冲性能相当于e 船。 ( d ) 表面平整、不易变形。由于蜂窝纸在裁切时的公差非常小，一般小于1 0 2 m m ， 因而成品的蜂窝纸板有非常好的平整性。又由于蜂窝结构的特性，结构稳定性非常好，因 而蜂窝制品不易变形。 ( e ) 吸音、隔热。蜂窝板的芯层被分割成互不连通的封闭小室，形成大量的封闭空间， 空气的运动因而被严格的限制在小室中，阻止了热量和声波的传播，所以拥有很好的隔音、 保温性能。 ( f ) 易于产生多种附加性能。蜂窝纸板是全纸质材料，易于通过特殊工艺处理而获得 防水、防潮、阻燃防火、防霉、固化增强等特殊性能。 ( g ) 绿色产品、无污染。蜂窝纸板可全部由再生纸制作，并且使用后可百分之百回收 利用，是真正意义上的绿色包装材料。 1 1 2 蜂窝纸板在包装方面的应用 蜂窝纸板在包装方面的应用比较广泛。一是用作缓冲衬垫蜂窝纸板的蜂窝夹芯结构使 其缓冲性能优于瓦楞纸板，可以采取全面缓冲或局部缓冲的形式来保护内装物。二是用作 托盘。蜂窝纸板托盘与木托盘相比，重量轻，也有较高的强度盘和单面托盘外。还可制成 立柱式托盘结构。三是用作包装箱。像瓦楞纸箱样，蜂窝纸板可加工成纸箱，但一般只 能用较薄的蜂窝纸板来做纸箱。四是用作角撑、护棱等附件。与缓冲衬垫类似，蜂窝纸板 作为运输包装件的角撑与护棱，这特别适合丁集合包装，起保护作用，减少碰撞与摩擦， 降低破损【2 1 。 1 2 蜂窝结构材料研究现状 1 2 1 蜂窝结构基础性能研究 彳比，z 假定夹芯处于“反平面 应变状态，即夹芯极软，仅能抵抗横向切应力，而忽 略其面内刚度和弯曲刚度；对于极薄的上、下蒙皮，假定其服从缸陀砌够假设，只能承 受面内应力，忽略了其抵抗横向切应力的能力【3 1 。g f 施d ，z 和彳妫砂利用等壁厚六角形蜂 窝模型，在前人经验基础上，采用砌傩五p 忍勋梁理论建立了蜂窝夹芯在面内拉压与剪切 作用下的变形模式，导出了等效的弹性常数的计算公式，并研究了单型蜂窝结构静态压缩 过程中的变形和失稳及破坏现象，并指出蜂窝结构失稳存在两种典型机制，即弹性屈曲和 以梁端形成塑性铰为特征的结构塑性崩塌，并得到两种失稳和破坏形式的宏观极限应力公 式，揭示了多孔材料的变形机型4 】【5 】。 1 2 2 蜂窝纸板的静态压缩特性 王梅等通过对蜂窝纸板的静态压缩性能试验得到4 种厚度的蜂窝纸板的o 曲线，将 变形过程分成三个阶段；同时定性地指出了蜂窝纸板厚度一定时蜂窝状六边形的边长越 大，材料的强度越低【6 】。 张安宁、童小燕等通过m 打计算机辅助压力自动测试系统对2 种蜂窝纸板迸行了不 同速率下的静态压缩试验，得到了连续静态压缩f 盯、州特性曲线。指出：蜂窝纸板变 形过程出现明显的弹性、弹塑性、塑性和压实变形4 个阶段，2 种速率压缩状态下，较大 压缩速率下蜂窝纸板的静态压缩特性曲线与小压缩速率下的静态压缩特性曲线明显一致 m 。 1 2 3 蜂窝纸板的缓冲特性和振动传递特性 郭彦峰、张景绘等通过动态压缩试验，测试4 种厚度蜂窝纸板的最大加速度静应力曲 线，研究蜂窝纸板的动态缓冲特性，获得蜂窝纸板的最大加速度静应力曲线的特征系数和 经验公式。试验研究表明，蜂窝纸板的冲击加速度一时间曲线，波形近似呈半正弦波，冲 击作用时间较长，吸收冲击能量大，具有优良的动态缓冲特性。但是，绝大部分试样经受 一次冲击后被压溃，不能再进行二次或更多次跌落冲击，即蜂窝纸板的回弹性差，不能重 复使用【s 】。他们同时还研究了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、传递率及阻尼比。试验结果 表明：蜂窝纸板的动态缓冲曲线呈凹谷状，开口向上，只有一个极小值点，冲击加速度波 形近似于半正弦波，冲击作用时间较长，吸收的冲击能量较大，具有优良的动态缓冲特； 振动传递特性具有多模态性，有主次之分，对高频振动有显著的衰减性【9 】。 王兆军、鞠国良对两种不同材质的蜂窝纸板静态应力应变性能和动态缓冲结果进行了 比较分析。讨论了蜂窝纸板力学性能对应变速度的敏感性及两种纸板的缓冲性能差异，在 不同的冲击应变率下蜂窝纸板的材质影响蜂窝纸板缓冲性能。通过实例，首次讨论了不同 材质蜂窝纸板对应变率的敏感性，不同材料制作的蜂窝纸板对应变率的反应有很大差异， 韧性好的材料制作的蜂窝纸板，随着应变率的提高屈服强度和屈服区能量吸收值增大1 1 0 1 。 张峻岭、毛中彦针对不同厚度的蜂窝纸板在正弦变频振动测试中的加速度传递，绘制 3 其不同衰减系数的振动传递率曲线。通过试验针对4 种常用的不同厚度的蜂窝纸板在正弦 变频振动测试中的加速度传递绘制其不同衰减系数的振动传递率曲线【1 1 1 。 潘道津采用共振原理的小型振动测试装置，测定蜂窝纸板固有频率。介绍了振动激励 与数据采集系统原理，绘制了蜂窝纸板固有频率曲线，并与其它常用缓冲材料曲线进行了 比较。得出：由扫频激振法，可以测出不同载荷下蜂窝纸板固有频率。不同纸板厚度的固 有频率可准确区别开；蜂窝纸板的固有频率，在不同载荷应力下，其分布规律不同于其他 缓冲材料【1 2 】。 目前蜂窝纸板振动传递特性研究结果主要有： a 、当初速度恒定时，阻尼比的变大对加速度的影响在冲击作用阶段较小，这是因为作 用时间短，阻尼还没有发挥作用；而随着时间变长，阻尼系数对它们的影响越来越显著，使加 速度响应迅速衰减【4 2 1 ； b 、当阻尼系数恒定时，初速度对加速度的影响明显，加速度的峰值随着初速度的增大 而增大；对两种材料的影响程度完全不同，对弹性较大系统的影响较弱，而弹性小的系统加 速度响应与初速度近似成正比【4 2 】。 c 、当环境激励频率与系统固有频率相等时，即彳= 1 时，振动传递率达最大值，此时 环境振动可十几倍的传递到产品。该系统的共振点都在，2 0 0 h z 以上，这一点和e p s 有 所不同。如选用蜂窝纸板做防振材料，应考虑运输环境的振动频率与产品一蜂窝纸板系统 的固有频率，避免共振破损。 d 、当五 1 5 时，此时的环境激励频率约为3 8 0 h z 振动传递率z 1 。安全系数的选择涉及到 正确处理安全与经济的关系。 5 3 2 4 最大加速度 产品在受到任何冲击时，不论冲击的强弱，在整个冲击过程中，都由一个最大加速度。 跌落冲击时，跌高矗不同，则最大加速度也不同，所以最大急速度依赖于| j l 。当相同时， 传递给产品的最大加速度g 脚还与所选定缓冲材料的力学特性有关。但是产品的脆值g c 决定于产品，产品一定时g c 一定。因此可以岛不是g c ，同一产品的不同方向上的脆值 也不一定相同。 瓯【g 】- 兰( 5 4 ) ir 刀 5 3 2 5 脆值的测定方法 产品的脆值可以通过试验进行测定。通常有两种方法：利用冲击试验机进行试验( 冲 击试验机法) 和使用缓冲材料进行试验( 缓冲材料法) 【2 8 1 。 a 、冲击试验机法 该方法专用的冲击试验机适用范围广，自动化程度高，操作方便。其脉冲程序器可以 产生矩形波、半正弦波等各类波形。由于冲击速度变化量可以控制，并可根据需要设定冲 击强度，冲击试验机法的模拟性( 与计算相比) 较好。 将产品固定在冲击试验机台面上，共同从一定的高度落下，台面与脉冲程序器相撞， 会测得冲击的速度变化值和加速度值。调整脉冲程序器可取得不同类型脉冲的冲击波形。 改变跌落高度可测得不同的冲击加速度，连续试验直至产品发生损坏而测出g c 值。由于 试验将产品固定在试验机台面上并与台面一起落下，干扰因素少，较好地保证了冲击方向 和状态，测试数据的精度较高，离散度小。 3 5 b 、缓冲材料试验法 该方法可在常用各类跌落试验机上进行，多借助缓冲材料来控制冲击脉冲。由于只能 形成近似半正弦波脉冲，一旦缓冲材料的质量、密度等稍有变化，都会影响试验结果，故 该方法的模拟性及重复性较差。缓冲材料本身存在塑性变形，加之试验中冲击状态往往出 现偏差和二次冲击( 回弹) 等原因，测试数据的精度相对低，离散度大。将产品施以缓冲包 装后从跌落试验机上自由下落，与底面( 地面) 会产生冲击。改变跌落高度或缓冲材料( 如厚 度) 可测得不同的冲击加速度，连续试验直至产品发生损坏而测出g c 值。 5 3 2 6 玻璃平板脆值的确定 5 3 2 6 1 试验材料： 脆值试验选用厚度1 6 m 聊普通平板玻璃，尺寸为3 0 0 聊聊4 0 0 ，z m 1 6 m 聊，质量m = 3 3 4 0 蚝，将瓦楞纸板固定与平板玻璃下。 5 3 2 6 2 试验方法： 首先对玻璃平板进行保护， 缓冲玻璃自由跌落时的冲击力， 如图5 2 所示，将玻璃平板下粘贴a b 型瓦楞纸板一块， 保证玻璃平板不会在第一跌落高度跌碎。 “ ，” 图5 2 玻璃平板的保护图5 3 粘结传感器 f i g 5 2t h ep l a t eg l a l s si n 缸l et c s tf i g 5 3t h es e n s o rs t i c k e dt ot l l ep l a t eg l s s 然后将加速度传感器固定于玻璃平板上，如图5 3 所示，准备跌落试验机以及加速度 测试系统，将准备好的试件放置在跌落试验机的托台上如图5 4 所示，调整跌落试验机高 度，从低到高逐个高度跌落，直至平板玻璃最终破损，停止试验。 5 3 2 6 3 试验数据及处理： 图5 4 试件放置托台 f i g 5 4t h ed y n 锄i cc o m p r e s s i o nb e s t 如表5 l 所示为三次重复试验后试验数据，随着跌落高度的升高，最大加速度逐渐 增加，当跌落高度为1 1 5 c m 时，玻璃平板破碎，所以当高度为1 1 0 c m 时最大加速度值3 9 1 1 9 即为玻璃平板的脆值。破坏后的玻璃平板如图5 5 所示 表5 1 脆值试验数据 1 a b l e 5 1t h ed i s r 印a i rc u r v e 跌落高度最大加速度g 4 5 c m 5 5 c m 6 5 c m 7 5 c m 8 5 c m 9 5 c m 1 0 0 c m 1 0 5 c m 1 1 0 c m 1 1 5 c m 2 9 8 4 9 3 0 9 3 9 3 2 7 0 5 9 3 4 0 5 9 3 5 2 1 5 9 3 6 2 7 5 9 3 7 2 4 5 9 3 8 1 9 3 9 1 1 9 破碎 3 7 图5 5 脆值试验中破碎的平板玻璃 f i g 5 5t h ed i s r e p a i r9 1 a l s s e si nm e t e s t 经过破坏试验测得产品g c = 3 9 1 l g 由于玻璃为易碎产品，取安全系数，z = 1 2 计算平板玻璃的许用脆值g 1 为： 【g 】= 导= 等_ 3 2 6 9 ( 5 5 ) 5 3 3 等效跌落高度的确定 等效跌落高度代表包装件在流通过程中跌落冲击能量的大小。等效跌落高度越高，冲 击能量越大，产品容易产生破碎，缓冲包装保护要求越高。而跌落主要是在装卸过程中由 人工作业，或机械作业造成的，跌落时冲击能量大小要根据产品的重量、体积大小、人员 高度，搬运难易程度、搬运方式等因素确定，最后的结果都是由概率统计而得经验公式： 日= 3 0 0 矿 ( 5 6 ) 其中h 等效跌落高度，c m ； w 被包装物重量，n 。 对于平板玻璃 w = m g = 3 3 4 0 9 8 = 3 2 7 3 2 n( 5 7 ) 3 r 所以 5 3 4 缓冲衬垫的设计 日：罢：名黑 5 4 硎 ( 5 8 )爿= 芦= f = = = = ) 斗c ，行 i ) 6j 形3 2 7 3 2 如果对该产品进行全面缓冲包装，则在这种状况下，衬垫的静应力为： 盯。，：堡：丝堡：0 0 2 7 1 0 砌( 5 9 ) “ 么3 0 4 0 在图5 6 上可以看出，竖直直线= 0 0 2 7 1 0 4 忍和水平直线g = 3 2 6 9 的交点在所 有蜂窝纸板缓冲曲线之外。这说明，即使是取厚度为2 0 0 m m 的蜂窝纸板来进行全面缓冲 包装，也不能保证产品的运输安全。如果要坚持采用全面缓冲包装，则蜂窝纸板的厚度还 要大大的增加，这在经济上是不合理的。 图5 6 王芦6 0 册蜂窝纸板最大加速度一静应力 f i g 5 6g m - o sc u n ，e 慨hi s6 0 c m 如果采用的是局部缓冲包装，则最好选取厚度为l o m m 的蜂窝纸板进行包装。因为 它的曲线的最低点距水平直线g = 3 2 7 3 最近，可以充分发挥蜂窝纸板的缓冲能力。从图 中可以看出，直线g = 3 2 7 3 和1 0 m m 的蜂窝纸板的最大加速度静应力曲线的交点处的静 应力分别为0 0 8 1 0 4 p a 和o 1 4 1 0 4 p a ，在这个静应力范围内进行设计都是安全的，如果 要节省材料，充分发挥蜂窝纸板的缓冲能力，就应该选取0 1 4 x1 0 4 p a 处进行设计，如果 要保证产品安全，降低产品的冲击加速度，应该选取该区间内最低点o 1 1 1 0 4 p a 。在这 里我们分别进行计算。 做最省材料设计时，取仃= 0 2 3 5 1 0 4 p a 时，蜂窝纸板面积： 3 9 彳：里：罂= 2 3 3 8 册2 ( 5 1 0 ) 叽， o 1 4 、 做最安全设计时，取点仃= 0 1 1 1 0 4 p a 进行设计，蜂窝纸板面积： 4 ：里：罂：2 9 7 删z ( 5 1 1 )1 阢0 1 1 、 以上情况均是在满足取定一定厚度的蜂窝纸板厚度后然后根据最大加速度一静应力 曲线计算衬垫面积的方法，但是根据最大加速度一静应力图可以得知各曲线的最低点，其 最大加速度值和厚度的乘积为一常量，即 ( g 。壳) 最低点= 常量 ( 5 1 2 ) 各曲线的最低点的最大加速度和静应力的乘积也是一常量，即 ( g 卅) 最低点= 常量 ( 5 1 3 ) 根据这一原则，我们假想一条未知曲线，根据以上( 5 1 2 ) ( 5 1 3 ) 两式，就可以得到假 想曲线的厚度和该曲线所处的厚度状态。 此种设计运用于当许用脆值远大于各组曲线最低时使用，如当脆值为g = 5 0 时，如 果取衬垫的厚度为1 0 m m ，那么其厚度比较厚，太不经济。因此，依照前面所介绍的方法， 假设有一条假想曲线，为了安全起见，其最低点的最大加速度选为4 5 ，我们下就利用前 面所介绍的方法，用这条曲线求解衬垫的厚度和面积。 a 、按厚度为1 0 m m 的曲线进行求解： 在该曲线的最低点处，最大加速度和厚度的积为一常量，即： ( g 。h ) 最低点= 2 9 1 0 = 2 9 0 ( 5 1 4 ) 假想曲线的最低点的最大加速度为4 5 ，厚度未定，因此对于假想曲线的最低点，有 如下的关系： ( g 。h ) 最低点= 4 5 h = 2 9 0 ( 5 1 5 ) 有 h ：掣：6 4 4 m m ( 5 1 6 ) 4 5 、 另外，对于厚度为1 0 1 砌的曲线，其最低点处的最大加速度和静应力的积为一常量， 即： ( 瓯) 最低点2 2 9 0 1 l = 3 1 9 ( 5 1 7 ) 对于假想曲线，最低点的最大加速度值为7 0 ，因此，可得衬垫的静应力为： ( 瓯) 量低点2 4 5 嘎。= 3 1 9 ( 5 1 8 ) 有 吒= 等_ 0 0 7 1 1 0 4 p a ( 5 1 9 ) 吒2 百2 1 x1 up a p 1 缈 由此，衬垫的面积应该为： 彳：里：黑4 6 1 硎2 ( 5 2 0 ) 瓯， o 0 7 l 、。 b 、按厚度为1 5 m m 的曲线进行求解： 在该曲线的最低点处，最大加速度和厚度的积为一常量，即： ( g 。h ) 最低点= 2 0 1 5 = 3 0 0 ( 5 2 1 ) 假想曲线的最低点的最大加速度为4 5 ，厚度未定，因此对于假想曲线的最低点，有 如下的关系： 有 即： ( g m h ) 最低点= 4 5 h = 3 0 0 ( 5 2 2 ) h ：罂：6 6 7 舢 ( 5 2 3 ) 4 5 、7 另外，对于厚度为1 5 m m 的曲线，其最低点处的最大加速度和静应力的积为一常量， ( g i ) 量低点= 2 0 o 1 5 = 3 ( 5 2 4 ) 对于假想曲线，最低点的最大加速度值为7 0 ，因此，可得衬垫的静应力为： ( 瓯呸。) 最低点= 4 5 = 3 ( 5 2 5 ) 有 = 丢= o 0 6 7 1 。4 p a ( 5 2 6 ) 由此，衬垫的面积应该为： 彳：里：黑：4 8 8 俐2 ( 5 2 7 ) 月= 一= 一= r ，挖 i z ，i 仉， 0 0 6 7 、 由以上两条曲线求得的衬垫的厚度和面积是非常接近的，这说明利用这种方法对衬垫 进行计算是合理的。 5 3 5 蜂窝纸板衬垫结构设计 目前运输包装中，包装结构设计多采用分散式的模式，这样的设计方式存在这理论上 的依据，这种缓冲包装结构设计可以简化为并置衬垫模型。 4 l 对于并置蜂窝衬垫， c = 掣 ( 5 2 8 ) q = 靥3 ， 对于并置蜂窝衬垫，由式( 5 3 0 ) 和式( 5 3 1 ) 可知，c d c d l c d l = c d 2 。 特例当a l = a 2 时： c 。l = c s 2 = ( 5 3 2 ) 二 该结果说明，采用并置法把较大面积的单块缓冲衬垫均分为四个角衬垫，分别布置在产品 的四个底角部位，可降低缓冲系数，提高蜂窝衬垫的保护能力。 故本次蜂窝纸板缓冲衬垫多使用分块结构设计，取用前面是( 5 1 1 ) 计算出的最安全衬 垫面积3 0 0 c m 2 进行相关设计，共设计一下物种设计方案。 方案一 均布五块型，设计方案如图5 7 图5 8 所示： 图5 7 设计方案 f i g 。5 7t h es t r i l c t u r ed e s i g i l 4 2 图5 8 设计方案实物图 f i g 5 8t h ep r i c 吐c a l i t ) ，o f t l l ed e s i g n 每块衬垫面积为 4 = 詈= 孚划饷2 ( 5 瑚) 设计每块衬垫尺寸时，按照平板玻璃的长宽比3 ：4 进行设计 么= 掰= 3 x 4 z = 1 2 x 2 ( 5 3 4 ) 又有 彳= 4 = 6 0 硎2 故计算得衬垫尺寸为6 7c m 8 9 锄 方案二 设计方案如图5 9 图5 1 0 所示 4 3 日 4 n n p 0 卜 图5 9 设计方案 f i g 5 9t l l es 仃u c t l l r ed e s 咖 图5 1 0 设计方案实物图 f i g 5 1 0t h ep r a c t i c a l i t yo f t l l ed e s i g n 使用类“非 字型设计方案，该方案主要以蜂窝纸板条为主要构成元素。 其中宽条设计尺寸为： 4 = 3 4 0 c m 4 余= 爿一2 4 = 6 0 c m 2 以：垒：竺：1 5 c m ： 44 取a 2 为2c m 7 5 c m 。 方案三 设计方案如图5 1 1 图5 1 2 所示 一 p 口0 一 c c e 口 一 n 图5 1 1 设计方案 f i g 5 1 1t h e s 缸1 l c t u r ed e s i g n 图5 1 2 设计方案实物图 f i g 5 1 2t h ep m c 6 c a l i t yo f t l l ed e s i g n 设计方案使用环形设计，具体设计尺寸如图5 1 0 所示，环形外宽a = 2 0 0 i i l m ，外长 b = 3 0 0 m m ，方型设计，内部尺寸内宽a l = 1 0 0 m m ，b l = 2 0 0 n m 。使用环形设计对平板玻 璃中心变形起到了可以更好的缓冲保护作用，但是由于较为忽略了四个角的保护，故在平 4 5 板玻璃跌落时存在一定的角破坏的风险。 方案四 设计方案如图5 1 3 图5 1 4 所示 一 4 0 d 0 皿 司 c c 一 图5 1 3 设计方案 f i g 5 13t h es 虹1 l c m 】旧d e s i 盟 图5 1 4 设计方案实物图 f i g 5 1 4t h ep r a c t i c a l i t yo f t l l ed e s i g n 该方案使用长型类“亚”字型设计，主要以条为缓冲衬垫元素，其中 长条尺寸为3c m 4 0 c m 竖杠面积为 a l = 3 4 0 = 1 2 0 c m 2 a 2 = a - 2 a l = 6 0c m 2 确定竖杠尺寸为3c m 1 0 c m 。 方案五 设计方案如图5 1 5 图5 1 6 所示 麓 爿 一 p n n 一 c c r 丑 图5 1 5 设计方案 f i g 5 1 5t h es 仃l l c t 盱ed e s 咖 图5 1 6 设计方案实物图 f i g 5 16t h ep r a c 6 c a l i 够o fm ed e s i g n 4 7 设计方案使用宽型类“亚 字型设计，主要以条为缓冲衬垫元素，其中 横条尺寸为3c m 3 0c m a l = 3 3 0 = 9 0 c m 2 竖杠面积为 a 2 = a 2 a l = 12 0 锄2 故竖杠尺寸为3c m 2 0 c m 。 因为平板玻璃各个侧面端面面积较小，故使用全面包装方式进行缓冲设计，一般保证其在 跌落时不被损坏。 5 3 6 包装箱设计 运输包装中主要使用的箱型有0 2 型开槽纸箱【3 0 1 。其特征主要是上、下摇盖与纸箱面 联体，向内弯折后形成箱底和箱盖。大多数的0 2 型纸箱是由一整块纸板裁切、开槽、压 线而成，少数由两片或者四片纸板拼合而成。箱坯钉合或者粘合接头，空箱作为货物运输 时折叠平放，产品装箱时张开，装箱后封合箱底箱盖，常用的纸箱箱型为0 2 0 l 型。本次 设计缓冲作用主要由蜂窝纸板提供，研究缓冲性能也是仅限于蜂窝纸板的缓冲性能，所以 设计纸箱时，选用没有缓冲能力的硬卡纸，以便降低纸箱对研究蜂窝纸板缓冲性能的影响 作用，此时纸箱只起到保护平板玻璃的商品价值的作用。 首先确定纸箱内装物尺寸。由平板玻璃外尺寸为3 0 0 m ，l 4 0 0 m ，z 1 6 聊聊，在使用五 种缓冲设计后： l = l o + 2 h ( 5 3 5 ) 其中l 为包装后长度，c m ，k 为平板玻璃长度，锄，h 为蜂窝纸板厚度，c m d = d o + 2 h ( 5 3 6 ) 其中d 为包装后长度，c m ，d o 为平板玻璃长度，c m ，h 为蜂窝纸板厚度，c m h = h o + 2 h ( 5 3 7 ) 其中h 为包装后长度，c m ，h o 为平板玻璃长度，c m ，h 为蜂窝纸板厚度，c m 故包装后尺寸为3 2 0 胧渐4 2 0 掰珑3 6 脚掰。 所以包装箱那尺寸也为3 2 0 惭m 4 2 0 m m 3 6 m 研。0 2 0 l 型纸箱设计图设计如下图5 1 7 所示： 一j一j一j 4 ，n，p n4 p 0 p n 5 。4 结论 图5 1 70 2 0 l 型纸箱制造尺寸图 f i g 5 1 71 1 h e 曲n e n s i o nm a po f 0 2 0 1t ) l p ep a p 咖o x a 、对质量m = 3 3 4 0 埏，尺寸为3 0 0 m m 4 0 0 m m 1 6 聊所平板玻璃进行跌落破坏试验，并成 功测试平板玻璃的脆值，e = 3 9 1 1 9 ，并取安全系数玎= 1 2 计算平板玻璃的许用脆值 i g l - 3 2 6 9 b 、根据最大加速度一静应力曲线，得出( 瓯| j 1 ) 最低点= 常量和( 瓯) 最低点= 常量，并通过具 体运算进行验证了最大加速度一静应力曲线的正确性。 c 、通过式( 5 砣8 ) 一式( 5 3 1 ) 证明包装衬垫分块设计的理论合理性，并根据平板玻璃的脆值 和蜂窝纸板最大加速度一静应力曲线，计算出最省材料缓冲衬垫面积彳= 2 3 3 8 册2 和最安 全缓冲衬垫面积4 ：里：罢孚：2 9 7 册：，并根据最安全衬垫面积进行了结构设计，共1 矾o 1 1 设计五种衬垫方案，根据设计衬垫后的包装件尺寸设计纸箱。 4 9 蜂窝衬垫的振动特性研究 振动和冲击一样，是包装件在流通过程中受到的另外一种环境载荷，虽然在进行包 装设计时，首先要考虑的是包装件在冲击的状况下不受到损坏，但是振动对包装件的影响 也不可忽视，在共振情况下，产品的响应加速度可能会超过产品的脆值，尤其是会超过脆 弱部件的脆值而导致产品的损坏f 3 1 1 。此外，长期振动会使产品产生疲劳损坏和内装物同 容器间的摩擦损伤【3 2 1 。因此，防振包装对于包装产品的可靠性来说，不亚于缓冲，尤其 在装卸搬运操作技术日趋平稳的条件下，防振更加必要。 一般的缓冲材料都具有阻尼，因而缓冲衬垫都具有隔振或者防振的作用。通常，衬 垫总是先按照缓冲要求进行设计，然后校核其防振能力，这就是包装设计的基本原则。防 振包装设计的目的在于调节包装件的固有频率，并通过选择恰当的阻尼材料，把包装系统 ( 即外包装一衬垫内装产品) 对振动的传递率控制在预定的范围内【3 3 】【3 4 1 。 6 1 玻璃平板振动分析动力学理论基础 6 1 1 包装系统的简化模型 一个包装系统主要由外包装、衬垫材料、产品组成，产品包含一个脆弱部件【3 5 】。一 般相对于产品来说，外包装和衬垫材料的质量很小，可以忽略不计，在这里，由于玻璃平 板为质地均匀的材料，故可以将产品直接简化为质量为m 的物块，而不去考虑脆弱部分。 蜂窝纸板主要成分是纸张，纸张是由大小不同，长短不齐的纤维交织形成的薄膜物 质【3 6 】。它的主要成分是天然纤维素，是由碳、氢、氧元素构成的高分子碳水化合物，既 有结晶部分，又有非结晶部分，加之构成纸张的还有填料和胶料等，从而使纸张的特性既 不同于弹性物体或者塑性物体，又不同于理想的流体，当纸张受到力的作用时，既会呈现 弹性变形的某些特征，又会呈现流体的粘性【3 7 1 。因此，纸张属于粘弹性材料，由纸张构 成的蜂窝纸板也是属于典型的粘弹性材料。 a 、粘性 在流动的液体中，如果由于某些外界的原因使得各层液体的流速不同，则在两层流 速不同的液体的接触面上，有作用力和反作用力的存在，作用于原来流速较高的液层减速， 作用于原来流速较低的液层加速，这一对力称为液体的内摩擦力。一般液体都有这种性质， 称为液体的粘性。粘性是在受到力的作用时，与速度有关的力。缓冲材料受外力作用时， 材料抵抗外力所产生的与速度有关的力称为粘性阻力，是材料阻碍变形的一种阻力。它是 5 0 由材料内部各高分子之间的摩擦和高分子的形状改变所引起的。粘性的功效是吸收振动和 冲击能量，从而减少传递到产品上的加速度。 b 、弹性 如橡胶、弹簧在力的作用下发生变形，当去掉外力时能恢复其原有状态，这种性质 称为弹性。从高分子材料微观角度看，当材料受到外力作用时，分子内的键角和键长，即 原子间的距离会瞬时发生改变，但这种形变量是很有限的。 当外力除去时，形变也立即消失。在外力的作用下物体内部产生阻止变形、力图恢 复原来状态的力，而去掉外力时其内部的应力也消失，这种内部应力就是弹性力。弹性实 质上是物质微观内部结构变化而引起的一种内应力。弹性是材料具有缓冲能力的基本的条 件，是缓冲材料区别于其它一般结构材料的一种基本特性。当缓冲材料受到外来的力的作 用时，其尺寸发生变化，卸除外力时缓冲材料由于弹性的原因立即恢复其原有的形状尺寸。 该过程的功效是受到外力时，吸收冲击能量，减少外界对产品的冲击力，从而降低了产品 所受到的加速度的作用，起到了缓冲的作用。 粘性和弹性组合，能发挥缓冲材料防振和缓冲的有效作用。蜂窝纸板对冲击能量的 吸收性就在于当包装件在运输、装卸的过程中受到冲击的作用时，它能把外来的冲击力衰 减到不使产品受到破损的程度。当产品把蜂窝纸板压缩到一定程度时，由于缓冲材料的弹 性和粘性，减少了产品落下时的能量，也就是吸收了冲击的能量。对于同一材料来说，材 料的变形量越大，其吸收的能量越大。在外来的冲击力较小的状况下，对应产生较小的加 速度，则应采用能产生较大形变的软材料为宜。而在外来冲击较大的情况下，则以较硬的 材料为宜。在运输过程中，当运输工具的振动频率与被包装的产品的固有频率接近时，就 要发生共振。共振会使产品在很小的振动的作用下产生很大的振动响应，有可能使产品受 到破坏，所以缓冲材料必须具有能使共振衰减的粘性，这样就会使产品在共振状况下的振 动传递率减小【3 8 】【3 9 1 。 在忽略外包装和衬垫材料的质量，不单独考虑脆弱部件，蜂窝纸板为粘弹性材料， 我们可以把包装系统简化如图6 1 所示。在运输过程中，整个包装件受到外来的振动的作 用，经过缓冲材料传递给平板玻璃，我们把缓冲材料的弹性和 6 1 玻璃平板包装系统模型 f i g 6 1t h ep a c k i i l gs y s t e mm o d e lo f t l l ep l a t e g l a s s 阻尼的作用分别用一个集中的弹簧和阻尼器来代替，再把它们并联作用，外部的振动就通 过弹簧和阻尼器传递给产品。因此，在运输过程中，包装系统是一个单自由度支座激励系 统受迫振动的力学模型。所以平板玻璃的蜂窝纸板包装求解问题既可以参考单自由度支座 激励系统受迫振动力学模型的求解。 6 1 2 平板玻璃包装模型的求解 分别以物块和支座的平衡位置为原点向上取x 轴和y 轴。在系统振动的任一瞬时t ， 物块和支座的位移分别为x 和y ，作用在物块上的力是重力与弹性力的合力： p + 咨= 七( x y 一) + 曙= 后( z y ) ( 6