專利名稱：蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D及其在蜂窩紙板生產(chǎn)中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于蜂窩紙板性能檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種根據(jù)蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D進(jìn)行蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇方法和蜂窩原紙選擇方法。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)資源、環(huán)保、可持續(xù)性發(fā)展認(rèn)識(shí)的加強(qiáng)，環(huán)保型產(chǎn)品越來(lái)越受到人們的青睞。蜂窩紙板作為一種無(wú)污染、結(jié)構(gòu)新穎、承重量大、成本低、彈性好且具有良好的緩沖性能的包裝材料受到包裝界的高度關(guān)注，并已順利應(yīng)用于大型機(jī)電產(chǎn)品的包裝、家具、建筑材料等領(lǐng)域。
目前因缺乏對(duì)蜂窩紙板緩沖性能的一種系統(tǒng)有效的檢測(cè)方法，使得在蜂窩紙板制緩沖襯墊的設(shè)計(jì)與選材時(shí)主要是靠蜂窩紙板提供商的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)完成的設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性不高。
包裝用緩沖材料的設(shè)計(jì)與選擇主要分為兩部分， 一部分是在所有的候
選材料中，對(duì)于給定的用途，選擇出最佳的侯用材料；另一部分是如何對(duì)選定的材料的結(jié)構(gòu)、密度和厚度等性能指標(biāo)最優(yōu)化選擇以達(dá)到包裝效率的最大化。傳統(tǒng)的緩沖材料表征方法，如應(yīng)力一應(yīng)變曲線，最大加速度--靜應(yīng)力曲線等都只能代表一種特定的材料性能，如果進(jìn)行優(yōu)選，則需要試驗(yàn)測(cè)出每種可能材料的緩沖特性，再?gòu)闹羞M(jìn)行優(yōu)選。事實(shí)上，制作出每種可能的材料進(jìn)行測(cè)試是不現(xiàn)實(shí)的，這需要耗費(fèi)大量的人力物力。再有就是蜂窩紙板的緩沖性能受應(yīng)變率影響較大，對(duì)于任何一種材料均需做其不同應(yīng)變率下的緩沖性能試驗(yàn)，這使傳統(tǒng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線和最大加速度一靜應(yīng)力曲線在進(jìn)行蜂窩紙板的優(yōu)化設(shè)計(jì)與選材時(shí)遇到難題。盡管上述兩種曲線在進(jìn)行蜂窩紙板優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可以作為參考依據(jù)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)蜂窩原紙的優(yōu)化選擇和蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題中存在的對(duì)蜂窩板芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材缺乏一種系統(tǒng)有效的方法，不能針對(duì)具體產(chǎn)品的緩沖包裝需求，給出優(yōu)化蜂窩紙板結(jié)構(gòu)及優(yōu)化蜂窩紙板選材并提高單位成本材料的包裝效率這一技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D及其在蜂窩紙板生產(chǎn)中的應(yīng)用。
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為提供一種用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板芯性能的能量吸收?qǐng)D。所述能量吸收?qǐng)D的繪制方法為通過(guò)4全測(cè)儀檢測(cè)蜂窩原紙的固體模量;根據(jù)靜態(tài)壓縮應(yīng)力曲線得到所述蜂窩紙芯的靜態(tài)壓縮吸能量,并用所述固體模量對(duì)所述蜂窩紙芯的吸能量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化單位體積吸能量和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，即能量吸收曲線;在低應(yīng)變率下，將靜態(tài)壓縮所得到的蜂窩紙板的厚度和跨度的^值所對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線的肩點(diǎn)連接起來(lái),得到呈近似線性的能量吸收曲線;在高應(yīng)變率下，根據(jù)動(dòng)態(tài)壓縮曲線經(jīng)多項(xiàng)式擬合得到動(dòng)態(tài)壓縮最大加速度靜應(yīng)
力曲線;在動(dòng)態(tài)壓縮下，將蜂窩紙板的厚度和跨度的^值所對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線的肩點(diǎn)連接起來(lái),形成呈近似線性的能量吸收曲線;將上述不同應(yīng)變率下的能量吸收曲線進(jìn)行匯總，得到用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板芯性能的能量吸收?qǐng)D。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例所述檢測(cè)儀為挺度儀,所述固體模量為￡s = 0.89GPa 。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:所述靜態(tài)緩沖性能為『=_f(Tcfe ;式
中e為材料的壓縮應(yīng)變、7為材料的壓縮應(yīng)力、W力對(duì)應(yīng)于壓縮應(yīng)變?yōu)閑時(shí)單位體積的變形能。
沖艮據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例所述標(biāo)準(zhǔn)化單位體積吸能量和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力之間的關(guān)系曲線采用了對(duì)數(shù)坐標(biāo)的形式。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，壓縮應(yīng)變率可用下式估
算^上;式中，《為壓縮應(yīng)變率；v為壓縮位移變化率；r為紙蟲(chóng)奪窩夾層
板的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:緩沖材料的動(dòng)態(tài)能量吸收可用下式表示
『="」^ = ^;式中，『為材料單位體積最大變形能；(Tm為壓縮最大靜應(yīng)
力； 為壓縮靜應(yīng)力； 〃為沖擊高度；T為緩沖材料厚度；G為沖擊最大力口速度。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:在動(dòng)態(tài)壓縮下，壓縮應(yīng)變率可用下式估
算L;式中，v為沖擊最大速度，根據(jù)自由落體原理^V^ 。2//
應(yīng)用所述能量吸收?qǐng)D進(jìn)行蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇的方法,包括步驟一、在所述蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D中找到對(duì)應(yīng)的峰應(yīng)力值ap/Es,并在所述蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D中畫(huà)出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力線；二、選擇一個(gè)適宜的蜂窩紙板厚度r,，用它從沖擊速度V哞橫凝么vt'
三、 用插值法在應(yīng)變率的平行線族里找到應(yīng)變率為疼的直線，該線與 所述一步中所畫(huà)的應(yīng)力線相交，由交叉點(diǎn)確定log(附仏)的對(duì)應(yīng)值，且由蜂 窩原紙的固體模量仏計(jì)算出單位體積的吸能量『；
四、 用所述三步中得到的ff值，已知的吸收能量V以及被包裝物與
蜂窩紙板的接觸面積A，計(jì)算出新的蜂窩紙板的厚度r2;
五、 用所述四步中的所述r2值按照所述A2步中的方法計(jì)算新的應(yīng)變 率4,再4姿所述三步中的方法確定新的log(『/￡:s)、『，再4安所述四步中的 方法得到新的r3;
六、 重復(fù)上述步驟，直到所計(jì)算的蜂窩紙板的厚度T收劍于某個(gè)值， 該值即為蜂窩紙板的最佳厚度,再根據(jù)最終應(yīng)變率與應(yīng)力線的交叉點(diǎn)的位 置，根據(jù)所述能量吸收?qǐng)D上的紙蜂窩胞壁厚跨比平行線族找到最佳的紙蜂 窩胞壁厚跨比，所得到的所述蜂窩紙板的最佳厚度和最佳的紙蜂窩胞壁厚 跨比即為所述蜂窩紙板的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
應(yīng)用所述能量吸收?qǐng)D進(jìn)行蜂窩原紙選擇的方法,包括步驟
第 一:根據(jù)被包裝物的跌落高度H，得到所述被包裝物的沖擊速度v和所 述被包裝物吸收的沖擊能量t/=wv2/2，由蜂窩紙板與被包裝物之間的接觸面 積爿和蜂窩紙板的厚度T,得到所述蜂窩紙板的體積V，并由此得到所述蜂窩 紙板每單位體積吸收的能量H^U/V;因?yàn)樗霰话b物的脆值a為已知，則 所述被包裝物的最大許用包裝力/^wa和最大許用峰應(yīng)力 =F";
第二:選擇蜂窩原紙固體模量的一個(gè)適宜值&，在已知的所述蜂窩紙板 能量吸收?qǐng)D中繪出與附&和^/仏的數(shù)值相對(duì)應(yīng)的直線，兩直線相交于點(diǎn)A;
第三:過(guò)所述A點(diǎn)畫(huà)一條斜率為1的直線，沿該線移動(dòng)，保持『和 的值不變，而仫/f吏&改變；
(2一"—)1/2
第四:根據(jù)式砵=+ = -f—計(jì)算應(yīng)變率，在該應(yīng)變率下選^^所述第三
步中的直線與該應(yīng)變率下的能量吸收曲線的交叉點(diǎn)，得點(diǎn)B;
第五:在所述蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D中讀出所述B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的『/&和apAes 值，根據(jù)所述第一步中『和 的值計(jì)算出蜂窩原紙的彈性模量￡s,根據(jù) 所述B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的紙蜂窩胞壁厚if爭(zhēng)比平行線族，用插值法確定B點(diǎn)的最佳 厚3,比。
本發(fā)明的有益效果為通過(guò)本發(fā)明所述蜂窩紙板緩沖性能檢測(cè)方法可 以快捷、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化選材，為不同條件下 的蜂窩紙板的制作提供了準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，并以此實(shí)現(xiàn)了節(jié)能高效包裝。
圖1.用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板芯性能的能量吸收?qǐng)D的繪制方法流程圖； 圖2.蜂窩紙芯結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3.靜態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；
圖4.對(duì)數(shù)標(biāo)度的標(biāo)準(zhǔn)化能量吸收與標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)曲線； 圖5.動(dòng)態(tài)壓縮最大加速度靜應(yīng)力曲線；
圖6.對(duì)數(shù)標(biāo)度的標(biāo)準(zhǔn)化能量吸收與標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)曲線； 圖7.用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板芯性能的能量吸收?qǐng)D； 圖8.能量吸收?qǐng)D用于蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖； 圖9.能量吸收?qǐng)D用于蜂窩原紙的選擇設(shè)計(jì)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
請(qǐng)參閱圖1用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板芯性能的能量吸收?qǐng)D的繪制方法流程 圖，如圖1所示,本發(fā)明用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板芯性能的能量吸收?qǐng)D的繪制方 法為通過(guò)檢測(cè)儀檢測(cè)蜂窩原紙的固體模量;根據(jù)靜態(tài)壓縮應(yīng)力曲線得到 所述蜂窩紙芯的靜態(tài)壓縮吸能量,并用所述固體模量對(duì)所述蜂窩紙芯的吸 能量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,得到標(biāo)準(zhǔn)化單位體積吸能量和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力之間的關(guān)系曲 線，即能量吸收曲線;在低應(yīng)變率下，將靜態(tài)壓縮所得到的蜂窩紙板的厚度 和跨度的^值所對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線的肩點(diǎn)連接起來(lái),得到呈近似線性的
8能量吸收曲線;在高應(yīng)變率下，根據(jù)動(dòng)態(tài)壓縮曲線經(jīng)多項(xiàng)式擬合得到動(dòng)態(tài)壓
縮最大加速度靜應(yīng)力曲線;在動(dòng)態(tài)壓縮下，將蜂窩紙板的厚度和跨度的/么值 所對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線的肩點(diǎn)連接起來(lái),形成呈近似線性的能量吸收曲線; 將上述不同應(yīng)變率下的能量吸收曲線進(jìn)行匯總，得到用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板 芯性能的能量吸收?qǐng)D。
圖2為蜂窩紙芯結(jié)構(gòu)示意圖，圖中t為權(quán)利要求1中所述蜂窩紙板的 厚度，l為六角形紙蜂窩單層胞壁的邊長(zhǎng)，即權(quán)利要求1中所述蜂窩紙板的 跨度。
目前很少有直接測(cè)量緩沖材料吸能量的實(shí)驗(yàn)方法，只能通過(guò)靜態(tài)壓縮
應(yīng)力應(yīng)變曲線和動(dòng)態(tài)壓縮最大加速度-靜應(yīng)力曲線和能量守恒原理計(jì)算得
來(lái)。本專利中引入的實(shí)驗(yàn)分為兩部分，靜態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)材
料均采用厚跨比不同的三種紙蜂窩材料350/150A/350-20 ,
350/150B/350-20, 350/150C/350-20 (三種紙蜂窩夾層板的面紙均為
350g/m2?？?紙蜂窩芯胞壁材料為150g/n 蜂窩原紙，紙蜂窩芯為正六
角形，其孔徑類型分別為A、 C和D型，其胞壁邊長(zhǎng)分別為5. 8mm， 12. l隱
和14. 4mm)。靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)采用CMT萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)和恒溫恒濕箱，并參
照國(guó)標(biāo)GB8168-87包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法和ISO 2233-1986、
GB/T4857. 2-2005包裝溫濕度調(diào)節(jié)處理進(jìn)行預(yù)處理，試樣大小為
100mm*100mm,在溫度為23°C，相對(duì)濕度為50%,位移變化率為12,/min
條件下完成；動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)采用Lansmont公司自由跌落實(shí)驗(yàn)機(jī)和TP3加速
度傳感器，并參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ASTMD5169""和GB/T4857. 2-2005包裝溫濕度
調(diào)節(jié)處理進(jìn)行環(huán)境預(yù)處理，用多種質(zhì)量標(biāo)定的法碼作為重塊，從50cm高度
分別沖擊試樣，試樣大小為150mii^l50mm，法碼的底面積大于150mm*150mm,
試驗(yàn)溫度為23。C,相對(duì)濕度為50°/。條件下完成。其中，紙蜂窩芯的固體模
量是用挺度儀測(cè)量后計(jì)算得來(lái)的，其固體模量為
￡s = 0.89GPa ( 1 )
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
一、靜態(tài)壓縮下不同厚跨比紙蜂窩夾層板最佳吸能曲線 材料的靜態(tài)緩沖性能可以由其靜態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線得到。單位體積
的變形能可以描述為
P^I"o^ (2)式中￡為材:扦的壓縮應(yīng)變、fT為材^F的壓縮應(yīng)力、『對(duì)應(yīng)于壓縮應(yīng)變?yōu)閒c、 時(shí)單位體積的變形能；靜態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示，根據(jù)式(2)可 得紙蜂窩夾層板單位體積吸能量，為了標(biāo)定紙蜂窩結(jié)構(gòu)的性能，用紙蜂窩 的固體模量-式(1 )對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化可得標(biāo)準(zhǔn)化單位體積吸能量和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力 之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。為了使曲線比較起來(lái)更方便，圖4中采用
了對(duì)數(shù)坐標(biāo)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，壓縮應(yīng)變率可用下式估算
^二 (3)
7，
式(3)中，《為壓縮應(yīng)變率；v為壓縮位移變化率；r為紙蜂窩夾層板的 厚度。根據(jù)式(3),本實(shí)驗(yàn)中紙蜂窩夾層板的壓縮應(yīng)變率《為10力s。在相 同的應(yīng)變率下，將不同/〃所對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線的肩點(diǎn)連接起來(lái)，形成的 最佳能量吸收曲線呈近似線性(如圖4中黑色的粗實(shí)線所示)，隨著紙蜂窩 胞元厚跨比？//的增大，最佳吸能點(diǎn)向右上方移動(dòng)。
二 、動(dòng)態(tài)壓縮下不同厚跨比紙蜂窩夾層板最佳吸能曲線 材料的動(dòng)態(tài)緩沖性能通常由自由跌落實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)得的最大加速度靜應(yīng) 力曲線來(lái)表征。根據(jù)文獻(xiàn)「13]知，緩沖材料的動(dòng)態(tài)能量吸收可用下式表示
式中，ff-材料單位體積最大變形能；fJm-壓縮最大靜應(yīng)力； -壓縮靜應(yīng)力； /Z-沖擊高度；r-緩沖材料厚度；G-沖擊最大加速度。動(dòng)態(tài)壓縮曲線經(jīng)多項(xiàng) 式擬合如圖5所示。所對(duì)應(yīng)的方程分別如下
G二17.866ct、,2 -78.024c"s, +143.83 350/150D/350-20
G-3.627crst2 -34.926cr,, +151.01 350/150C/350-20
G= 1.9219 crst 2 - 30.053 + 172.58 350/150A/3 50-20 最大加速度靜應(yīng)力曲線均呈內(nèi)凹型，只存在一個(gè)極值點(diǎn)。當(dāng)靜應(yīng)力小 于最小極值點(diǎn)時(shí)的靜應(yīng)力時(shí)，隨著靜應(yīng)力的增大，材料吸能量增大，通過(guò) 材料傳遞的加速度降低；當(dāng)靜應(yīng)力超過(guò)最小極值點(diǎn)時(shí)的靜應(yīng)力時(shí)，通過(guò)材 料傳遞的沖擊加速度增大，這是因?yàn)椴牧弦褟氐讐簼?，在沖擊過(guò)程中出現(xiàn) 了"碰底"的現(xiàn)象，此時(shí)材料已經(jīng)根本沒(méi)有緩沖能力。在動(dòng)態(tài)壓縮下，壓縮 應(yīng)變率可用下式估算
2//式中，V為沖擊最大速度，根據(jù)自由落體原理知
v =》-g77 (6)
本實(shí)一險(xiǎn)中，沖擊高度為//=0.5m,因此動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)變率為1.7*102/s。 在動(dòng)態(tài)壓縮下，將不同f〃所對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線的肩點(diǎn)連接起來(lái)-如
圖6中黑色粗實(shí)線所示，形成的最佳能量吸收曲線也呈近似線性。隨著紙
蜂窩胞元厚If爭(zhēng)比f(wàn)〃的增大，最佳吸能點(diǎn)向右上方移動(dòng)。 三、不同厚跨比紙蜂窩夾層板能量吸收?qǐng)D
從上述靜動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)分析可知，在同一應(yīng)變率下，隨著紙蜂窩厚跨 比/〃的增大，其承壓性能和單位體積吸能量都有所增加，且線性增加。因 此，在某一應(yīng)變率下優(yōu)化選材時(shí)，可以用插值法找到紙蜂窩的最佳厚跨比。 為了考查同一結(jié)構(gòu)紙蜂窩在不同的加載應(yīng)變率下的緩沖吸能特性，將上述 實(shí)驗(yàn)的能量吸收?qǐng)D進(jìn)行匯聚，得到用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板芯性能的能量吸收 圖,如圖7所示。圖7示出了一族曲線，它"i兌明隨應(yīng)變率增大，紙蟲(chóng)奪窩夾層 板的承壓性能和單位體積最大吸能量都有所增加。圖7中各字母的含義如 下z^蜂窩原紙的厚度；六角形紙蜂窩單層胞壁的邊長(zhǎng)；碎為蜂窩 紙板的壓縮應(yīng)變率；『》蜂窩紙板壓縮過(guò)程中單位體積材料的最大吸能量； ￡s為蜂窩原紙的固體模量； / ￡s為用蜂窩原紙固體模量標(biāo)定的蜂窩紙板 壓縮應(yīng)力；『/￡s為用蜂窩原紙固體模量標(biāo)定的蜂窩紙板單位體積變形能。 在同一應(yīng)變率下，隨著紙蜂窩胞壁厚跨比f(wàn)〃的增大，蜂窩紙板的承壓性能 和單位體積吸能量都所有增加，且線性增加。因此，在某一應(yīng)變率下優(yōu)化
選材時(shí)，可以用插值法找到紙蜂窩胞壁的最佳厚跨比。
通過(guò)以上所述紙蜂窩夾層板的緩沖吸能性能可以用能量吸收?qǐng)D表征，
本專利中的能量吸收?qǐng)D用紙蜂窩材料的固體模量標(biāo)準(zhǔn)化，使不同材質(zhì)的蜂
窩夾層材料可以集于同一圖上。而且在同一張能量吸收?qǐng)D上包含了應(yīng)變率
和紙蜂窩結(jié)構(gòu)信息，且形成了應(yīng)變率平行族線和紙蜂窩厚跨比平行族線。
借助該能量吸收?qǐng)D，利用插值法可以實(shí)現(xiàn)紙蜂窩厚跨比的優(yōu)選，這有利于
紙蜂窩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和選材。
本發(fā)明中蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D在實(shí)際中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在蟲(chóng)奪窩原紙的
優(yōu)化選擇和蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇方面。
本發(fā)明中如圖7所示的蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D可以用于作為緩沖承載用
途的蜂窩紙板的優(yōu)化設(shè)計(jì)和選材。
蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是設(shè)計(jì)紙蜂窩芯的最佳厚度和紙蜂窩最佳胞壁厚跨比(由于蜂窩紙板的面紙厚度通常遠(yuǎn)小于紙蜂窩芯的厚度，所以通常 將紙蜂窩芯的厚度作為蜂窩紙板的厚度)。
具體實(shí)施例l:已知被包裝物體的質(zhì)量w=10kg,包裝材料和被包裝物 體之間的接觸面積J=0.01 m2,被包裝物的跌落高度//=0.5m ，被包裝物的 脆值為30g,制作蜂窩紙板的蜂窩原紙的固體模量為￡s=0.89GPa，在此介 紹利用蜂窩紙板緩沖性能檢測(cè)方法結(jié)合蜂窩紙板的能量吸收?qǐng)D進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì)紙蜂窩芯胞壁厚跨比和蜂窩紙板厚度的方法。
由尋皮包裝物的^失落高度//=0.5m知其最大沖擊速度v=3.2m/s,吸收的 沖擊能量t/=wv2/2=51.2J;因?yàn)楸话b辨的脆值"為30g,則其最大許用包 裝力，F(xiàn)=ma=3000N,最大許用峰應(yīng)力ap=F"=300KN/m2;由蜂窩原紙的 固體才莫量&為0.89GPa知最大許用標(biāo)準(zhǔn)化峰應(yīng)力ffp/Es=3.4*10-4。借助于圖 7進(jìn)行蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法如下
(1) 、在已知的能量吸收?qǐng)D示意圖8中對(duì)應(yīng)峰應(yīng)力值 /五s,畫(huà)出豎線；
(2) 、選擇一個(gè)比較適宜的蜂窩紙板厚度r。用它從沖擊速度v估算 出近似應(yīng)變率4:
鮮二 一 = -
(3) 、用插值法在應(yīng)變率的平行線族里找到應(yīng)變率為禪的直線，該線 與(1)所畫(huà)的應(yīng)力線相交，由交叉點(diǎn)確定log(附仏)的對(duì)應(yīng)值，且由蜂窩 原紙的固體模量&計(jì)算出單位體積的吸能量『；
(4) 、用(3)得到的『值，已知的吸收能量t/以及被包裝物與蜂窩 紙板的接觸面積A,計(jì)算出新的蜂窩紙板的厚度r2;
(5) 、用(4)中的7^按照(2)的方法計(jì)算新的應(yīng)變率4，再按(3) 的方法確定新的log(附Es),『，再按(4)的方法得到新的r3。
重復(fù)上述步驟，直到所計(jì)算的蜂窩紙板的厚度收劍于某個(gè)值，該值即 為蜂窩紙板的最佳厚度。再根據(jù)最終應(yīng)變率與應(yīng)力線的交叉點(diǎn)的位置，根 據(jù)能量吸收?qǐng)D上的紙蜂窩胞壁厚跨比平行線族找到最佳的紙蜂窩胞壁厚跨 比。上述過(guò)程詳細(xì)的迭代過(guò)程如下
第一次迭代
r,的初始選4奪 50mm產(chǎn)生的應(yīng)變率，4 63.2/s
在fjp/Es=3.4*l(T4時(shí)所對(duì)應(yīng)的『/￡s 7.5* 1 (T4 每單位體積的吸能量，『 6.25*105J/m3 第二次迭代
由t^W^r可知r2 8.24mm
》務(wù)正的疼 383/s
修正的W 5.92*105J/m3 第三次迭代
由L^^4r可知r3 8.65mm 最優(yōu)厚跨比/// 略低于0.020
本例經(jīng)過(guò)3次迭代，所選用的蜂窩紙板厚度即收劍于8.65mm,在實(shí) 際應(yīng)用時(shí)可取10mm，所對(duì)應(yīng)的紙蜂窩胞壁最佳厚跨比為0.020。
具體實(shí)施例2:已知被包裝物體的質(zhì)量，w=10kg，包裝材料和被包裝 物體之間的接觸面積，j=0.01w2,被包裝物的跌落高度7/=0.5m，被包裝 物的脆值a為20g,蜂窩紙板的厚度20mm，根據(jù)能量吸收?qǐng)D7找出最佳 的蜂窩原紙彈性模量和最佳蜂窩胞壁厚跨比。
優(yōu)化選材前可以嘗試先給蜂窩原紙的彈性模量某 一具體的值，其過(guò)程 如圖4所示，其具體做法如下
(1) 由被包裝物的跌落高度/Z-0.5m知其最大沖擊速度v-3.2m/s，吸收 的沖擊能量f/=wv2/2=51.2J,由蜂窩紙板與被包裝物之間的接觸面積為 J=0.011112和蜂窩紙板的厚度為15mm知蜂窩紙板的體積為2* 104m3 ，因此蜂 窩紙板每單位體積吸收的能量『=34110/ m3;因?yàn)楸话b物的脆值"為20g, 則其最大許用包裝力，F(xiàn)=ma=2000N，最大許用峰應(yīng)力，ap=FA4=200KN/m2;
(2) 選擇蜂窩原紙固體模量一個(gè)適宜值，如五^lGPa,在已知的能量 吸收示意圖7中繪出『/^^3.4P104和(Tp/i^^2n(^的直線，二者相交于點(diǎn)A， 如圖9所示；
(3) 過(guò)A點(diǎn)畫(huà)一條斜率為1的直線，沿該線移動(dòng)，保持『和fjp的值不變， 而<又<吏&改變；
(4) 4艮據(jù)式(1)計(jì)算應(yīng)變率，在該應(yīng)變率下選4奪(3)中直線與該應(yīng) 變率下的能量吸收線的交叉點(diǎn)，得點(diǎn)B;
13(5)在圖9中讀出B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的附五s和^/Es值，再根據(jù)(1 )中『和 的值
計(jì)算出蜂窩原紙的彈性模量&,再根據(jù)B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的紙蜂窩胞壁厚跨比平行 線族，用插值法確定B點(diǎn)的最佳厚跨比。.
本例中原紙的彈性模量&為0.85Gpa,紙蜂窩芯胞壁的最佳厚跨比為 略低于0.043。
能量吸收?qǐng)D比傳統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線和最大加速度靜應(yīng)力曲線有很大的 優(yōu)越性和普適性，借助蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D無(wú)需大量的試驗(yàn)便可以系統(tǒng)地 實(shí)現(xiàn)蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和蜂窩原紙的優(yōu)化選擇。其中蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu) 化設(shè)計(jì)可以借助于小型的計(jì)算機(jī)程序用迭代法計(jì)算其最終的收斂值。
通過(guò)本發(fā)明所述蜂窩紙板緩沖性能檢測(cè)方法可以快捷、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂 窩紙板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化選材，為不同條件下的蜂窩紙板的制作提供 了準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，并以此實(shí)現(xiàn)了節(jié)能高效包裝。
明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若 干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D，其特征在于所述蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D的繪制方法為通過(guò)檢測(cè)儀檢測(cè)蜂窩原紙的固體模量；根據(jù)靜態(tài)壓縮應(yīng)力曲線得到所述蜂窩紙芯的靜態(tài)壓縮吸能量，并用所述固體模量對(duì)所述蜂窩紙芯的吸能量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化單位體積吸能量和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，即能量吸收曲線；在低應(yīng)變率下，將靜態(tài)壓縮所得到的蜂窩紙板的厚度和跨度的比值所對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線的肩點(diǎn)連接起來(lái)，得到呈近似線性的能量吸收曲線；在高應(yīng)變率下，根據(jù)動(dòng)態(tài)壓縮曲線經(jīng)多項(xiàng)式擬合得到動(dòng)態(tài)壓縮最大加速度靜應(yīng)力曲線；在動(dòng)態(tài)壓縮下，將蜂窩紙板的厚度和跨度的比值所對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線的肩點(diǎn)連接起來(lái)，形成呈近似線性的能量吸收曲線；將上述不同應(yīng)變率下的能量吸收曲線進(jìn)行匯總，得到用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板芯性能的能量吸收?qǐng)D。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能量吸收?qǐng)D，其特征在于:所述檢測(cè)儀為挺度儀， 所述固體模量為A =0.89GPa。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能量吸收?qǐng)D，其特征在于:所述靜態(tài)緩沖性能 為『二fcrJs ;式中e為材料的壓縮應(yīng)變、cr為材料的壓縮應(yīng)力、『^對(duì)應(yīng)于壓縮應(yīng)變?yōu)閑時(shí)單位體積的變形能。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能量吸收?qǐng)D，其特征在于:所述標(biāo)準(zhǔn)化單位體積 吸能量和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力之間的關(guān)系曲線采用了對(duì)數(shù)坐標(biāo)的形式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能量吸收?qǐng)D,其特征在于在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，壓縮應(yīng)變率可用下式估算l上；式中，A為壓縮應(yīng)變率；v為壓縮位移變化率；r為紙蜂窩夾層板的厚度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能量吸收?qǐng)D,其特征在于緩沖材料的動(dòng)態(tài)能量吸收可用.下式表示w二^'!^二、丄！;式中，『為材料單位體積最大變形GT 7'能；^為壓縮最大靜應(yīng)力； 為壓縮靜應(yīng)力；//為沖擊高度；r為緩沖材 料厚度；G為沖擊最大加速度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能量吸收?qǐng)D,其特征在于:在動(dòng)態(tài)壓縮下，壓縮 應(yīng)變率可用下式估算;式中，v為沖擊最大速度，才艮據(jù)自由落體原理v:V^/7 。
8. —種運(yùn)用蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D進(jìn)行蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇的方法，其 特征在于:所述方法包括步驟Al:在所述蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D中找到對(duì)應(yīng)的峰應(yīng)力值(TP/￡S,并在所 述蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D中畫(huà)出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力線；A2:選擇一個(gè)適宜的蜂窩紙板厚度rP用它從沖擊速度v，A3:用插值法在應(yīng)變率的平行線族里找到應(yīng)變率為禪的直線，該線與所 述A1步中所畫(huà)的應(yīng)力線相交，由交叉點(diǎn)確定log(『/￡，s)的對(duì)應(yīng)值，且由蜂 窩原紙的固體模量&計(jì)算出單位體積的吸能量『；A4:用所述A3步中得到的W值，已知的吸收能量 〃以及被包裝物與 蜂窩紙板的接觸面積A，計(jì)算出新的蜂窩紙板的厚度r2;A5:用所述A4步中的所述72值按照所述A2步中的方法計(jì)算新的應(yīng)變 率4,再按所述A3步中的方法確定新的1og(附&)、『，再按所述A4步中的方法得到新的r3;A6:重復(fù)上述步驟，直到所計(jì)算的蜂窩紙板的厚度T收劍于某個(gè)值， 該值即為蜂窩紙板的最佳厚度，再根據(jù)最終應(yīng)變率與應(yīng)力線的交叉點(diǎn)的位 置，根據(jù)所述能量吸收?qǐng)D上的紙蜂窩胞壁厚跨比平行線族找到最佳的紙蜂 窩胞壁厚跨比,所得到的所述蜂窩紙板的最佳厚度和最佳的紙蜂窩胞壁厚 跨比即為所述蜂窩紙板的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
9.一種運(yùn)用蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D進(jìn)行蜂窩原紙選擇的方法，特征在于 所述方法包括步驟B1 :根據(jù)被包裝物的跌落高度//，得到所述被包裝物的沖擊速度v和所述被包裝物吸收的沖擊能量f/=wv2/2,由蜂窩紙板與被包裝物之間的接觸面積 J和蜂窩紙板的厚度T,得到所述蜂窩紙板的體積V，并由此得到所述蜂窩紙板每單位體積吸收的能量ff-U/V;因?yàn)樗霰话b物的脆值a為已知，則所 述被包裝物的最大許用包裝力/^wa和最大許用峰應(yīng)力c『FM;B2:選擇蜂窩原紙固體模量的一個(gè)適宜值&,在已知的所述蜂窩紙板能 量吸收?qǐng)D中繪出與附&和 A^的數(shù)值相對(duì)應(yīng)的直線，兩直線相交于點(diǎn)A;B3:過(guò)所述A點(diǎn)畫(huà)一條斜率為1的直線，沿該線移動(dòng)，保持『和 的值不 變，而但J吏&改變；(—2—")1/2B4:根據(jù)式砵二 * = ~~計(jì)算應(yīng)變率，在該應(yīng)變率下選擇所述B3步中的直線與該應(yīng)變率下的能量吸收線的交叉點(diǎn)，得點(diǎn)B;B5:在所述^^窩紙板能量吸收?qǐng)D中讀出所述B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的^7&和 /￡;值， 根據(jù)所述B1步中『和r7p的值計(jì)算出蜂窩原紙的彈性模量&,根據(jù)所述B點(diǎn)所 對(duì)應(yīng)的紙蜂窩胞壁厚跨比平行線族，用插值法確定B點(diǎn)的最佳厚跨比。
全文摘要
本發(fā)明屬于蜂窩紙板性能檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種根據(jù)蜂窩紙板能量吸收?qǐng)D進(jìn)行蜂窩紙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇方法和蜂窩原紙選擇方法。通過(guò)檢測(cè)儀檢測(cè)蜂窩原紙的固體模量，并繪制標(biāo)準(zhǔn)化單位體積吸能量和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力之間的關(guān)系曲線；將蜂窩紙板的厚度和跨度的比值所對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線的肩點(diǎn)連接起來(lái)得到的能量吸收曲線進(jìn)行匯總，得到用于檢測(cè)紙質(zhì)蜂窩板芯性能的能量吸收?qǐng)D。利用該能量吸收?qǐng)D，可以快捷、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化選材，為不同條件下的蜂窩紙板的制作提供了準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，并以此實(shí)現(xiàn)了節(jié)能高效包裝。
文檔編號(hào)G01N19/00GK101470070SQ20071012547
公開(kāi)日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月24日
發(fā)明者王冬梅 申請(qǐng)人:深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院