面纸和芯纸相互作用的瓦楞纸板平台应力研究

目的 研究了不同厚度的瓦楞纸板受到纵向压缩时的变形模式,以及对应模式的平台应力理论模型和变化趋势.方法 对不同厚度的瓦楞纸板进行纵向准静态压缩,模拟实际运输中瓦楞纸板受到压缩时的变形情况,建立不同厚度的瓦楞纸板平台应力理论模型,根据试验数据对平台应力进行评估.结果 不同厚度的瓦楞纸板受到静态压缩时,产生了3种不同的变形,包括面纸和芯纸不分离,面纸和芯纸部分分离,面纸和芯纸完全分离.发现对于不同的变形,瓦楞纸板的平台应力变化较为明显,且随着瓦楞纸板厚度的增加,分离情况变多,平台应力的降低较为明显.结论 厚度增大会使瓦楞纸板产生变形使得平台应力下降,因此建立不同厚度的瓦楞纸板平台应力理论模型对瓦楞纸板的力学性能进行评估,这对瓦楞纸板缓冲材料尺寸选择,以及瓦楞纸箱的设计等有一定的指导意义.     

奇偶层交错对瓦楞纸板缓冲性能的影响

目的研究在奇偶层交错方式下,交错角度对瓦楞纸板缓冲性能的影响。方法将单瓦楞纸板按奇偶层交错的方式进行多层粘合以制备试样,交错角度分别为0°,30°,45°,60°和90°,采用共面静压、侧向静压和共面冲击的试验方法,对各试样共面和侧向的缓冲性能进行研究。结果与奇偶层不交错的样品相比,在共面静压下,奇偶交错使瓦楞纸板的初始峰应力、平台应力、密实化单位体积变形能和密实化比吸能分别提高了4.15%~9.38%,6.49%~10.39%,5.00%~7.94%和7.43%~10.81%;在沿瓦楞方向侧向静压下,抗压强度和平台应力分别减少了1.18%~14.34%和0.89%~20.66%,密实化比吸能和密实化单位体积变形能与交错角度近似呈二次函数关系。在共面冲击载荷下,当交错角度一定时,总能量吸收与冲击能近似呈一次函数关系。结论奇偶层交错一定角度能改善瓦楞纸板的共面缓冲性能,降低其沿瓦楞方向的侧向缓冲性能。     

Stress Plateau of Multilayered Corrugated Paperboard in Various Ambient Humidities

This paper presents a mathematical model to predict the stress plateau of multilayered corrugated paperboard under flatwise compression in various humidity environments. The model relates the stress plateau to the thickness‐to‐flute pitch ratio of corrugated core cell, the yield stress of corrugated medium and the relative humidity in surrounding air. Multilayered corrugated paperboards with a wide range of thickness‐to‐flute pitch ratios are investigated under several levels of ambient humidities to explore the effect of relative humidity on the stress plateau of multilayered corrugated paperboard. Comparison of the predictions and experiments is made, and a good correlation is achieved corroborating the feasibility and accuracy of the model. The proposed method can be used for practical application of the optimum design and material selection of multilayered corrugated paperboard. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

多层UV形瓦楞纸板的准静态轴向压溃模型研究

目的 对多层UV型瓦楞纸板轴向压溃后的变形机理和抗压性能进行探究,以助于多层瓦楞纸箱和缓冲包装的设计。方法 采用理论分析和试验研究相结合的方式,对UV形多层瓦楞纸板轴向压溃后的平台应力进行理论建模和准静态试验研究。结果 在UV形瓦楞生产工艺的基础上,假设楞纸与相邻层之间的相互作用为面黏合;提出了一种新的折叠元件以及波纹芯的3种变形模式;此外,分别提出了五层瓦楞纸板和七层瓦楞纸板平台应力理论模型;多层瓦楞纸板平台应力的理论预测结果与试验结果吻合良好。结论 所提出的多层UV形瓦楞纸板理论模型是有效的,这将有助于波纹结构刚度设计和参数选择,以满足不同的强度要求。     

Energy‐Absorbing Properties of Paper Honeycombs under Low and Intermediate Strain Rates

The effect of the strain rate on the mechanical behaviour and energy absorption of paper honeycombs is investigated by experiments on an environmental condition designed to simulate the actual logistic environment in most of South China. The strain rate varies from 3.3 × 10^?4 to 1.1 × 10² s^?1. The experimental results show that the load‐carrying capacity and the energy absorption performance of paper honeycombs are insensitive to the loading speed in low strain rate range (10^?4–10^?2 s^?1). However, the initial peak stress, the plateau stress and the densification strain of paper honeycombs under intermediate strain rate impact (10^?2–10² s^?1) increase with impact velocity and are obviously higher than that under static compression, thus demonstrating a certain degree of strain rate sensitivity. The restoring force due to gas compression in a confined space of hexagonal cavity contributes to the increase in dynamic plateau stress. A model is developed for the prediction of dynamic plateau stress by considering this restoring force. A good agreement between observation and prediction is obtained, indicating that the model constructed here can be used to evaluate the dynamic plateau stress for paper honeycombs. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

微孔结构对PMI泡沫准静态压缩性能的影响

基于BBC点集建立了聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)闭孔泡沫的Kelvin十四面体模型和Laguerre模型,并采用有限元方法研究了其在准静态载荷作用下的压缩性能。分析了孔径大小、泡孔体积离散系数对压缩弹性模量、初始峰值应力和能量吸收能力的影响。结果表明:Kelvin十四面体模型可以较好地预测PMI泡沫的压缩弹性模量和峰值应力;在相同相对密度条件下,小孔径泡沫的初始峰值应力和能量吸收能力均高于大孔径泡沫,而压缩弹性模量则低于大孔径泡沫;随着泡孔体积离散系数的增大,闭孔PMI泡沫压缩弹性模量、初始峰值应力和能量吸收能力均减小。     

湿度对瓦楞纸板纵向压缩承载性能的影响

目的 瓦楞纸板由于其材料的特殊性,在运输过程中会受到环境湿度的影响,因此,首先研究标准环境下的平台应力模型,然后引入湿度因素对模型进行修正.方法 采用试验及理论建模的方法建立基于环境湿度的纵向压缩平台应力理论模型.通过实验手段探讨瓦楞原纸极限应力随环境湿度的变化规律,建立其随环境湿度的特征曲线,然后引入标准环境下的平台应力理论模型中,建立任意环境湿度下的平台应力理论模型.结果 与未考虑湿度建立的瓦楞纸板平台应力相比,考虑湿度建立的理论模型与实验结果有较好的一致性,验证了模型的准确性.结论 建立任意湿度下的理论模型对于平台应力有很好的预测作用,在实际应用中对瓦楞纸板的选择以及包装设计有很大的指导作用.     

基于能量吸收法的U型纸质缓冲材料性能模拟分析

目的 研究采用U型瓦楞纸板进行缓冲包装设计的量化方法。方法 通过建立不同相关密度单层U型瓦楞纸板有限元模型,得到不同压缩速度下瓦楞纸板的应力-应变数据和单位体积吸收能量-应力数据,进行数据拟合得到相关密度方程和应变率方程。结果 随着相关密度的增加,瓦楞纸板的最大许用应力也在不断增加;从单位体积吸收能量-应力曲线上看,不同相关密度瓦楞纸板的最大许用应力包迹线呈线性关系;拟合的应变率方程和相关密度方程经验证可以方便高效地进行缓冲包装设计。结论 拟合的应变率方程和相关密度方程使用方便、快捷、高效,减少了查表法带来的误差,在实际生产中具有一定意义。     

瓦楞纸板楞形参数对力学性能的影响

目的 研究瓦楞纸板楞形参数对力学性能的影响规律,以达到在保证力学性能的基础上,减少材料的使用,降低生产成本。方法 在国标规定的范围内,均匀选取了瓦楞纸板的楞宽、楞高以及楞峰半径的实验值,设计单因素实验,推导出芯纸压缩比系数公式。利用有限元方法进行准静态压缩试验,得出瓦楞纸板的边压强度以及边压强度与压缩比系数的比值。结果 压缩比系数随楞宽和楞峰半径的增加逐渐降低,随楞高的增加逐渐增高,楞宽的影响程度最大,其次是楞高,楞峰半径最小;边压强度随楞宽的增加逐渐降低,随楞高的增加整体趋势为逐渐增高,边压强度随楞峰半径的增加,其变化波动较大,在楞峰半径为1.3 mm时边压强度最大。边压强度与压缩比系数的比值在单因素变化的情况下,楞宽为3.4 mm时最大,楞高为3.75 mm时最大,楞峰半径为1.3 mm时最大。结论 瓦楞几何参数对瓦楞纸板的边压强度和压缩比系数均有明显的影响,所以选择合适的几何参数组合可以在保证强度的基础上降低材料的使用量。     

Experimental Testing and Full and Homogenized Numerical Models of the Low Velocity and Dynamic Deformation of the Trapezoidal Aluminium Corrugated Core Sandwich

The simulations of the low velocity and dynamic deformation of a multi‐layer 1050‐H14 Al trapezoidal zig‐zag corrugated core sandwich were investigated using the homogenized models (solid models) of a single core layer (without face sheets). In the first part of the study, the LS‐DYNA MAT‐26 material model parameters of a single core layer were developed through experimental and numerical compression tests on the single core layer. In the second part, the fidelities of the developed numerical models were checked by the split‐Hopkinson pressure bar direct impact, low velocity compression and indentation and projectile impact tests. The results indicated that the element size had a significant effect on the initial peak and post‐peak stresses of the homogenized models of the direct impact testing of the single‐layer corrugated sandwich. This was attributed to the lack of the inertial effects in the homogenized models, which resulted in reduced initial peak stresses as compared with the full model and experiment. However, the homogenized models based on the experimental stress–strain curve of the single core layer predicted the low velocity compression and indentation and projectile impact tests of the multi‐layer corrugated sandwich with an acceptable accuracy and reduced the computational time of the models significantly.     

蜂窝芯横向面内压缩平台应力研究

目的考虑到蜂窝芯斜向孔壁发生折叠的能量耗散机制,建立基于孔壁折叠的平台应力表达式。方法首先从理论上分析蜂窝芯变形单元水平固定塑性铰的能量耗散情况,然后对不同厚跨比条件下的蜂窝纸芯进行横向面内压缩试验,得到平台应力,最后将试验结果与Gibson&Ashby模型以及文中模型进行对比。结果蜂窝胞壁厚度与蜂窝胞元边长之比对平台应力有一定的影响,蜂窝芯面内压缩平台应力与胞壁厚度和蜂窝胞元边长之比的平方呈正比关系。由对比结果可知,文中模型理论值与平台应力试验值更加吻合。结论揭示了蜂窝芯横向面内压缩的能量耗散机制,平台应力表达式可用于多种材料的双壁厚蜂窝面内压缩力学性能的评估,具有一定的普适性。     

新型负泊松比多孔吸能盒平台区力学性能

提出了一种具有负泊松比效应的汽车前纵梁吸能盒(NPRC)结构,通过对元胞平台区的失效模式和平台应力的分析,研究了此结构在失效时的力学性能,即等效弹性模量和平台应力在面内加载过程中均能得到一定程度的增强,表现出较好的能量吸收能力。根据NPRC元胞在平台区的力学模型,分别建立了发生弹性屈曲和塑性塌陷时的临界应力公式,得出塑性塌陷是该结构的主要失效模式。通过Matlab程序建立了NPRC元胞的参数化有限元模型,研究了元胞几何参数与平台应力的关系,即元胞的平台应力与长度系数和元胞夹角呈反比,与厚度系数呈正比。通过NPRC结构3×3样件的面内轴向准静态压缩实验验证了有限元分析结果,实验结果表明:NPRC样件等效负泊松比为-11.97,产生密实化现象,平台应力的峰值随着应变的增加逐渐增大,这对提高能量吸收性能具有重要的研究意义。     

瓦楞夹层结构动态力学性能评估

以典型的瓦楞夹层结构--瓦楞纸板为例,本文研究了不同应变率下的A、B、C、E型多层瓦楞纸板的力学性能。结果表明由于变形机制的不同造成动态平台应力值比静态平台应力值有明显的增加。本文采用中等应变率下评估动态应力的Cowper-Symonds方程与试验数据相结合,构建了一个综合考虑结构参数和应变率效应的多层瓦楞纸板的动态平台应力的预测方程。结果表明：随着应变率的增加,多层瓦楞纸板的平台应力明显增加;经过标准化后的方程能够较全面的用于多层瓦楞纸板的动态平台应力的预测,同时,该方程对于其他材质的瓦楞夹层结构的力学性能的研究有重要的参考价值。     

Surface stress and strain fields on compressed panels of corrugated board boxes. An experimental analysis by using Digital Image Stereocorrelation

The complex behaviour of corrugated board packages under compression loading is investigated in this work. Original experimental data are obtained by using a Digital Image Stereocorrelation technique for measuring the displacement and strain fields of the panels’ outer liner of the tested boxes. The stress field is also estimated by accounting for the anisotropic mechanical behaviour of the outer liner, its residual stress state induced by the processing of the corrugated board and the effects of box manufacturing operations and compression. Results show that these fields are extremely heterogeneous on the panels’ surface. Most stressed areas are located along the panels’ edges. The elastic limit of the outer liner is reached quite soon during compression. Box geometry and panel flaps are of primary importance on the observed phenomena. This approach delivers useful information to improve kinematic and constitutive assumptions for buckling and post-buckling models of boxes or thin-walled sandwich structures.     

芯纸厚度对瓦楞纸板边压强度的影响及模拟

目的 针对瓦楞纸板的强度设计未进行系统研究的问题,通过改变楞纸的厚度研究瓦楞结构的改变对其边压强度的影响。方法 对WH81287型号的五层BE型瓦楞纸箱进行取材,对瓦楞纸板进行边压强度(Edge Crush Test,ECT)试验,通过试验数据验证有限元软件中模型的可靠性,并在Matlab中对数据进行分析,通过调整瓦楞芯纸厚度以用于瓦楞纸板的强度设计。结果 在边压强度的试验中,根据实验数据可以得到,瓦楞纸板的平均变形量为0.824 0 mm,最大边压力均值为1 041.2 N。在仿真分析中,B瓦厚度趋近于0.210 0 mm时,瓦楞纸板的最大变形量均趋近于1.195 0 mm,最大等效应变均趋近于0.115 0,最大等效应力趋近于23.500 0 MPa;在B瓦厚度增加或减少过多时,瓦楞纸板的最大变形量呈现逐渐增加的趋势,最大等效应变与最大等效应力出现陡增或骤减。结论 通过不同楞纸厚度与各参数之间的函数曲线图,找到了瓦楞纸板的最优参数,其最大变形量最小,最大等效应力、应变均较小且趋于稳定,这为实际应用中瓦楞纸板的强度设计提供了指导,提升了瓦楞纸板楞纸结构的设计效率。     

多层瓦楞纸板动态缓冲性能首次冲击模型的建立

以重型商品包装中广为采用的多层组合瓦楞纸板为对象,根据组合瓦楞纸板在温、湿度控制条件下缓冲性能的动态测试数据,建立了其动态缓冲性能首次冲击模型.,揭示了这种材料在外部冲击激励下的动力学响应规律.依据瓦楞纸板材料缓冲性能的粘弹塑性模型,由实测数据识别了模型参数.这种模型仅依据一组或两组材料密度、瓦楞数、跌落高度、变形种类和静应力条件的实测数据即可识别模型参数,较全面反映组合瓦楞纸板在首次冲击时的动力学性态.     

立式瓦楞复合纸板静态压缩试验与有限元分析

目的对立式瓦楞复合纸板的静态压缩过程进行试验研究和有限元分析,研究不同楞型立式瓦楞复合纸板的力学性能。方法制作A楞、AB楞、B楞等3种不同立式瓦楞复合纸板试样,进行静态压缩实验,得到其压缩应力-应变曲线;建立3种楞型的立式瓦楞复合纸板有限元模型,进行静力学分析,得到其压缩应力-应变曲线,并与实验结果进行对比分析。结果试验和有限元分析均显示立式瓦楞复合纸板的静态压缩过程与蜂窝纸板的静态压缩过程类似,包括弹性阶段、屈服阶段、平台阶段、密实化阶段,试验和有限元分析所得到的压缩应力-应变曲线相吻合。纸板的峰值应力和平台应力与楞型有关,且随着楞高的增大而减小。结论通过试验研究和有限元分析方法得到了不同楞型立式瓦楞复合纸板的静态压缩性能,对该新型材料的应用有重要参考价值。     

纸夹芯和泡沫复合层状结构的静态缓冲吸能特性研究

针对由发泡聚乙烯（EPE）、瓦楞纸板、蜂窝纸板组成的复合层状结构的包装防护作用,通过实验对比分析了这类结构的横向静态压缩变形特征和缓冲吸能特性。结果表明,这类结构在压缩初始阶段和最后阶段主要表现为EPE的力学性能,而在中间阶段为瓦楞纸板、蜂窝纸板的力学性能。复合层状结构的弹性模量、总吸能、行程利用率均高于EPE,而单位体积变形能则由于试样厚度增加幅值不同,并未表现出与总吸能一致的变化规律。比吸能随着压缩应变增大而增加,几乎不受压缩速度的影响,其中EPE与蜂窝纸板复合层状结构的比吸能均大于EPE与瓦楞纸板复合结构。在应力水平较小时,EPE与瓦楞纸板复合层状结构的能量吸收效率大,然而在应力水平较大时,EPE与蜂窝纸板复合的能量吸收效率大。     

蜂窝纸板与瓦楞纸板边压强度有限元分析

将结构对纸板边压强度的影响从众多影响因素中解耦,建立了蜂窝纸板和典型瓦楞纸板的有限元模型并进行了屈曲分析,得到蜂窝纸板两个方向的边压强度和典型瓦楞纸板的边压强度.提出了利用克重材料抗压效率评价纸板抗压能力的方法,利用边压强度和纸板的定量计算了每种纸板克重材料抗压效率.分析结果表明:蜂窝纸板在两个侧向上的克重材料抗压效率均大于瓦楞纸板;蜂窝纸板不仅具有优良的平压强度,而且具有优良的边压强度.     

基于后峰锯齿波冲击的瓦楞纸板包装系统研究

以瓦楞纸板平压本构模型为基础,利用在实验中得出的瓦楞纸板力学模型,建立了瓦楞纸板非线性缓冲包装系统的动力学方程;采用后峰锯齿波激励,建立了状态方程,并对非线性振动方程应用四阶龙格-库塔数值法求解,得到了不同阻尼系数的冲击谱和破损边界曲线及不同相对脉冲幅值的冲击谱和破损边界曲线;最后详细讨论了阻尼系数c、激励幅值U″m对冲击谱曲线和破损边界曲线的影响,为瓦楞纸板的选用提供了科学依据.