CN101470069B - 用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于蜂窝纸板性能检测应用领域，具体涉及一种用于检测纸质蜂窝板芯。通过检测仪检测蜂窝纸芯的固体模量并将标准化单位体积吸能量和标准化应力之间的关系曲线；呈近似线性的能量吸收曲线；动态压缩最大加速度静应力曲线和在动态压缩下，将蜂窝纸板的厚度和跨度的比值所对应的能量吸收曲线的肩点连接起来得到的能量吸收曲线进行汇总，得到用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图。通过本发明所获得的能量吸收图用于纸质蜂窝板芯性能的检测，借助该方法可以快捷、准确实现对蜂窝纸板的结构优化设计和优化选材，为不同条件下的蜂窝纸板的制作提供了准确的参考数据，并以此实现了节能高效包装。

Description

用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法

技术领域

本发明属于蜂窝纸板性能检测应用领域，具体涉及一种用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法。

背景技术

随着人们对资源、环保、可持续性发展认识的加强，环保型产品越来越受到人们的青睐。蜂窝纸板作为一种无污染、结构新颖、承重量大、成本低、弹性好且具有良好的缓冲性能的包装材料受到包装界的高度关注，并已顺利应用于大型机电产品的包装、家具、建筑材料等领域。

目前因缺乏对蜂窝纸板缓冲性能的一种系统有效的检测方法，使得在蜂窝纸板制缓冲衬垫的设计与选材时主要是靠蜂窝纸板提供商的经验来完成，通过经验完成的设计的准确性不高。

包装用缓冲材料的设计与选择主要分为两部分，一部分是在所有的候选材料中，对于给定的用途，选择出最佳的侯用材料；另一部分是如何对选定的材料的结构、密度和厚度等性能指标最优化选择以达到包装效率的最大化。传统的缓冲材料表征方法，如应力-应变曲线，最大加速度-静应力曲线等都只能代表一种特定的材料性能，如果进行优选，则需要试验测出每种可能材料的缓冲特性，再从中进行优选。事实上，制作出每种可能的材料进行测试是不现实的，这需要耗费大量的人力物力。再有就是蜂窝纸板的缓冲性能受应变率影响较大，对于任何一种材料均需做其不同应变率下的缓冲性能试验，这使传统的应力-应变曲线和最大加速度_静应力曲线在进行蜂窝纸板的优化设计与选材时遇到难题。尽管上述两种曲线在进行蜂窝纸板优化设计时可以作为参考依据，但无法实现蜂窝原纸的优化选择。

发明内容

为了解决现有技术问题中存在的对蜂窝板芯的结构设计与选材缺乏一种系统有效的方法，不能针对具体产品的缓冲包装需求，给出优化蜂窝纸板结构及优化蜂窝纸板选材并提高单位成本材料的包装效率这一技术问题，本发明提供了一种用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：提供一种用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法，所述方法为：通过检测仪检测蜂窝原纸的固体模量；根据静态压缩应力曲线得到所述蜂窝纸芯的静态压缩吸能量，并用所述固体模量对所述蜂窝纸芯的吸能量进行标准化，得到标准化单位体积吸能量和标准化应力之间的关系曲线，即能量吸收曲线；在低应变率下，将静态压缩所得到的蜂窝纸板的厚度和跨度的比值所对应的能量吸收曲线的肩点连接起来，得到呈近似线性的能量吸收曲线；在高应变率下，根据动态压缩曲线经多项式拟合得到动态压缩最大加速度静应力曲线；在动态压缩下，将蜂窝纸板的厚度和跨度的比值所对应的能量吸收曲线的肩点连接起来，形成呈近似线性的能量吸收曲线；

将上述不同应变率下的能量吸收曲线进行汇总，得到用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图根据本发明的一优选实施例：所述检测仪为挺度仪，所述固体模量为E_s＝0.89GPa。

根据本发明的一优选实施例：所述静态缓冲性能为： $W={\∫}_0^{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\σd\ϵ}$ ；式中：ε为材料的压缩应变、σ为材料的压缩应力、W为对应于压缩应变为ε时单位体积的变形能。

根据本发明的一优选实施例：所述标准化单位体积吸能量和标准化应力之间的关系曲线采用了对数坐标的形式。

根据本发明的一优选实施例：在准静态压缩下，压缩应变率可用下式估算：

式中，ε&为压缩应变率；v为压缩位移变化率；T为纸蜂窝夹层板的厚度。

根据本发明的一优选实施例：缓冲材料的动态能量吸收可用下式表示： $W=\frac{{\mathrm{\σ}}_{m}H}{\mathrm{GT}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{st}}H}{T}$ ；式中，W为材料单位体积最大变形能；σ_m为压缩最大静应力；σ_st为压缩静应力；H为冲击高度；T为缓冲材料厚度；G为冲击最大加速度。

根据本发明的一优选实施例：在动态压缩下，压缩应变率可用下式估算：

；式中，v为冲击最大速度，根据自由落体原理 $v=\sqrt{2\mathrm{gH}}.$

本发明的有益效果为：通过本发明所获得的能量吸收图用于纸质蜂窝板芯性能的检测过程中可以快捷、准确实现对蜂窝纸板的结构优化设计和优化选材，为不同条件下的蜂窝纸板的制作提供了准确的参考数据，并以此实现了节能高效包装。

附图说明

图1.用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法流程图；

图2.蜂窝纸芯结构示意图；

图3.静态压缩应力应变曲线；

图4.对数标度的标准化能量吸收与标准化应力静态压缩实验曲线；

图5.动态压缩最大加速度静应力曲线；

图6.对数标度的标准化能量吸收与标准化应力动态压缩实验曲线；

图7.用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

请参阅图1用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法流程图，如图1所示，本发明用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法为：通过检测仪检测蜂窝原纸的固体模量；根据静态压缩应力曲线得到所述蜂窝纸芯的静态压缩吸能量，并用所述固体模量对所述蜂窝纸芯的吸能量进行标准化，得到标准化单位体积吸能量和标准化应力之间的关系曲线，即能量吸收曲线；在低应变率下，将静态压缩所得到的蜂窝纸板的厚度和跨度的比值所对应的能量吸收曲线的肩点连接起来，得到呈近似线性的能量吸收曲线；在高应变率下，根据动态压缩曲线经多项式拟合得到动态压缩最大加速度静应力曲线；在动态压缩下，将蜂窝纸板的厚度和跨度的比值所对应的能量吸收曲线的肩点连接起来，形成呈近似线性的能量吸收曲线；将上述不同应变率下的能量吸收曲线进行汇总，得到用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图。

图2为蜂窝纸芯结构示意图，图中t为权利要求1中所述蜂窝纸板的厚度，1为六角形纸蜂窝单层胞壁的边长，即权利要求1中所述蜂窝纸板的跨度。

目前很少有直接测量缓冲材料吸能量的实验方法，只能通过静态压缩应力应变曲线和动态压缩最大加速度-静应力曲线和能量守恒原理计算得来。本专利中引入的实验分为两部分，静态压缩和动态冲击实验，实验材料均采用厚跨比不同的三种纸蜂窝材料：350/150A/350-20，350/150B/350-20，350/150C/350-20(三种纸蜂窝夹层板的面纸均为350g/m²牛卡纸，纸蜂窝芯胞壁材料为150g/m²蜂窝原纸，纸蜂窝芯为正六角形，其孔径类型分别为A、C和D型，其胞壁边长分别为5.8mm，12.1mm和14.4mm)。静态压缩实验采用CMT万能材料实验机和恒温恒湿箱，并参照国标GB8168-87包装用缓冲材料静态压缩试验方法和ISO 2233-1986、GB/T4857.2-2005包装温湿度调节处理进行预处理，试样大小为100mm*100mm，在温度为23℃，相对湿度为50％，位移变化率为12mm/min条件下完成；动态压缩实验采用Lansmont公司自由跌落实验机和TP3加速度传感器，并参照国际标准ASTM D5169^[12]和GB/T4857.2-2005包装温湿度调节处理进行环境预处理，用多种质量标定的法码作为重块，从50cm高度分别冲击试样，试样大小为150mm*150mm，法码的底面积大于150mm*150mm，试验温度为23℃，相对湿度为50％条件下完成。其中，纸蜂窝芯的固体模量是用挺度仪测量后计算得来的，其固体模量为

E_s＝0.89GPa    (1)

实验结果与分析

一、静态压缩下不同厚跨比纸蜂窝夹层板最佳吸能曲线

材料的静态缓冲性能可以由其静态压缩应力应变曲线得到。单位体积的变形能可以描述为：

$W={\∫}_0^{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\σd\ϵ}---\left(2\right)$

式中：ε为材料的压缩应变、σ为材料的压缩应力、W对应于压缩应变为ε时单位体积的变形能；静态压缩应力应变曲线如图3所示，根据式(2)可得纸蜂窝夹层板单位体积吸能量，为了标定纸蜂窝结构的性能，用纸蜂窝的固体模量-式(1)对其标准化可得标准化单位体积吸能量和标准化应力之间的关系曲线，如图4所示。为了使曲线比较起来更方便，图4中采用了对数坐标。在准静态压缩下，压缩应变率可用下式估算：

式(3)中，ε&为压缩应变率；v为压缩位移变化率；T为纸蜂窝夹层板的厚度。根据式(3)，本实验中纸蜂窝夹层板的压缩应变率ε&为10^-2/s。在相同的应变率下，将不同t/l所对应的能量吸收曲线的肩点连接起来，形成的最佳能量吸收曲线呈近似线性(如图4中黑色的粗实线所示)，随着纸蜂窝胞元厚跨比t/l的增大，最佳吸能点向右上方移动。

二、动态压缩下不同厚跨比纸蜂窝夹层板最佳吸能曲线

材料的动态缓冲性能通常由自由跌落实验机测得的最大加速度静应力曲线来表征。缓冲材料的动态能量吸收可用下式表示：

$W=\frac{{\mathrm{\σ}}_{m}H}{\mathrm{GT}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{st}}H}{T}---\left(4\right)$

式中，W-材料单位体积最大变形能；σ_m-压缩最大静应力；σ_st-压缩静应力；H-冲击高度；T-缓冲材料厚度；G-冲击最大加速度。动态压缩曲线经多项式拟合如图5所示。所对应的方程分别如下：

G＝17.866σ_st ²-78.024σ_st+143.83    350/150D/350-20

G＝3.627σ_st ²-34.926σ_st+151.01     350/150C/350-20

G＝1.9219σ_st ²-30.053σ_st+172.58    350/150A/350-20

最大加速度静应力曲线均呈内凹型，只存在一个极值点。当静应力小于最小极值点时的静应力时，随着静应力的增大，材料吸能量增大，通过材料传递的加速度降低；当静应力超过最小极值点时的静应力时，通过材料传递的冲击加速度增大，这是因为材料已彻底压溃，在冲击过程中出现了“碰底”的现象，此时材料已经根本没有缓冲能力。在动态压缩下，压缩应变率可用下式估算：

式中，v为冲击最大速度，根据自由落体原理知：

$v=\sqrt{2\mathrm{gH}}---\left(6\right)$

本实验中，冲击高度为H＝0.5m，因此动态压缩应变率为1.7*10²/s。

在动态压缩下，将不同t/l所对应的能量吸收曲线的肩点连接起来-如图6中黑色粗实线所示，形成的最佳能量吸收曲线也呈近似线性。随着纸蜂窝胞元厚跨比t/l的增大，最佳吸能点向右上方移动。

三、不同厚跨比纸蜂窝夹层板能量吸收图

从上述静动态压缩实验分析可知，在同一应变率下，随着纸蜂窝厚跨比t/l的增大，其承压性能和单位体积吸能量都有所增加，且线性增加。因此，在某一应变率下优化选材时，可以用插值法找到纸蜂窝的最佳厚跨比。为了考查同一结构纸蜂窝在不同的加载应变率下的缓冲吸能特性，将上述实验的能量吸收图进行汇聚，得到用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图，如图7所示。图7示出了一族曲线，它说明随应变率增大，纸蜂窝夹层板的承压性能和单位体积最大吸能量都有所增加。图7中各字母的含义如下：t为蜂窝原纸的厚度；l为六角形纸蜂窝单层胞壁的边长；ε&₁为蜂窝纸板的压缩应变率；W为蜂窝纸板压缩过程中单位体积材料的最大吸能量；E_s为蜂窝原纸的固体模量；σ_p/E_s为用蜂窝原纸固体模量标定的蜂窝纸板压缩应力；W/E_s为用蜂窝原纸固体模量标定的蜂窝纸板单位体积变形能。在同一应变率下，随着纸蜂窝胞壁厚跨比t/l的增大，蜂窝纸板的承压性能和单位体积吸能量都所有增加，且线性增加。因此，在某一应变率下优化选材时，可以用插值法找到纸蜂窝胞壁的最佳厚跨比。

本专利中的能量吸收图用纸蜂窝材料的固体模量标准化，使不同材质的蜂窝夹层材料可以集于同一图上。而且在同一张能量吸收图上包含了应变率和纸蜂窝结构信息，且形成了应变率平行族线和纸蜂窝厚跨比平行族线。借助该能量吸收图，利用插值法可以实现纸蜂窝厚跨比的优选，这有利于纸蜂窝结构的优化设计和选材。

通过本发明所获得的能量吸收图用于纸质蜂窝板芯性能的检测过程中可以快捷、准确实现对蜂窝纸板的结构优化设计和优化选材，为不同条件下的蜂窝纸板的制作提供了准确的参考数据，并以此实现了节能高效包装。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法，其特征在于：所述方法为：

通过检测仪检测蜂窝原纸的固体模量；

根据静态压缩应力曲线得到所述蜂窝板芯的静态压缩吸能量，并用所述固体模量对所述蜂窝板芯的吸能量进行标准化，得到标准化单位体积吸能量和标准化应力之间的关系曲线，即能量吸收曲线；

在低应变率下，将静态压缩所得到的蜂窝板芯的厚度和跨度的比值所对应的能量吸收曲线的肩点连接起来，得到呈近似线性的能量吸收曲线；

在高应变率下，根据动态压缩曲线经多项式拟合得到动态压缩最大加速度静应力曲线，得到最大加速度与静应力之间的关系，蜂窝板芯的动态能量吸收可用下式表示：

式中，W为蜂窝板芯单位体积最大吸能量；σ_m为压缩最大静应力；σ_st为压缩静应力；H为冲击高度；T为蜂窝板芯厚度；G为冲击最大加速度，将蜂窝板芯的厚度和跨度的比值所对应的能量吸收曲线的肩点连接起来，形成呈近似线性的能量吸收曲线；

将上述不同应变率下的能量吸收曲线进行汇总，得到用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图。

2.根据权利要求1所述能量吸收图的绘制方法，其特征在于：所述检测仪为挺度仪，所述固体模量为E_s＝0.89GPa。

3.根据权利要求1所述能量吸收图的绘制方法，其特征在于：所述静态压缩吸收能为：

式中：ε为蜂窝板芯的压缩应变、σ为蜂窝板芯的压缩应力、W为对应于压缩应变为ε时单位体积吸能量。

4.根据权利要求1所述能量吸收图的绘制方法，其特征在于：所述标准化单位体积吸能量和标准化应力之间的关系曲线采用了对数坐标的形式。

5.根据权利要求1所述能量吸收图的绘制方法，其特征在于：在准静态压缩下，压缩应变率可用下式估算：

式中，为应变率；v为压缩位移变化率；T为蜂窝板芯的厚度。

6.根据权利要求1所述能量吸收图的绘制方法，其特征在于：在动态压缩下，压缩应变率可用下式估算：

式中，v为冲击最大速度，根据自由落体原理

H为冲击高度。

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