CN103376232B - 蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线的构建方法 - Google Patents

Abstract

一种蜂窝纸板性能预测和优化方法，涉及到不同环境湿度下蜂窝纸板能量吸收曲线的构建方法。该方法建立了蜂窝纸板能量吸收能力与蜂窝原纸屈服强度和弹性模量、蜂窝胞壁厚跨比以及环境湿度之间的关系。将所得每一阶段标准化能量吸收与标准化应力之间的关系绘制在具有对数标度的坐标系中，得到不同厚跨比蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线。利用该方法，无需大量试验便可快速准确地绘制蜂窝纸板在不同湿度下的能量吸收曲线，寻求到给定材质构型的蜂窝纸板在各种不同环境湿度下的最佳吸能点，也可根据物流环境湿度条件和产品缓冲吸能的要求反求蜂窝纸板的结构参数，为蜂窝纸板缓冲包装优化设计提供有益的参考。

Description

蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线的构建方法

技术领域

本发明属于蜂窝纸板性能预测和优化领域，涉及一种预测和评估蜂窝纸板在不同环境湿度条件下的能量吸收性能的方法。

背景技术

产品在物流振动和冲击下引起的破损失效现象十分严重，我国每年由此引发的经济损失已超过千亿元，由于包装防护不当引起的一些特殊产品的破损导致的损失更是不可估量，如武器、弹药、古董等，因此需要设计相应的防护包装。所设计的防护包装应当能够在跌落冲击事故中通过缓冲包装材料自身的变形吸收和消耗冲击能量，使传递到产品上的最大作用力低于其损伤阈值，从而达到保护产品的目的。蜂窝纸板是目前使用最广泛的环保缓冲包装材料，其优异的缓冲吸能特性、较高的比强度和比刚度、较轻的质量和环保的特性赋予它们更广阔的应用前景。因此，蜂窝纸板能量吸收性能的预测和评估对包装优化设计和合理选择材料都是非常有意义的。

评估包装材料缓冲吸能特性的传统方法是缓冲曲线法。但是缓冲曲线存在着明显的缺陷，如试验量大、耗时、成本高，且将所有的包装材料缓冲特性都逐一表征非常困难，更无法包含环境参数变化对包装材料的影响。尽管国内外学者针对缓冲曲线的构建方法进行了诸多修正，减少了测试工作量并提高准确度，但利用这些方法只能得到某一特定材料的缓冲曲线，难以进行密度优选；另外一种评估缓冲材料能量吸收性能的方法是能量吸收图法。能量吸收图法最先被应用于泡沫塑料和泡沫金属的能量吸收特性表征，后被成功移用到蜂窝纸板上。但是目前蜂窝纸板能量吸收曲线是通过蜂窝纸板准静态压缩应力-应变曲线绘制的(专利号为200710125474，名称为“用于检测纸质蜂窝板芯性能的能量吸收图的绘制方法”的中国专利)。通过这种方法想要获得不同湿度下蜂窝纸板的能量吸收曲线则需要大量的实验和复杂繁琐的数据处理程序，非常耗时费力；而且蜂窝纸板的种类非常多，单纯通过实验的手段获得每一种蜂窝纸板在任意环境湿度下的能量吸收特性几乎是不可能的。另一方面，蜂窝纸板在制造、存储和使用过程中会经历各种复杂的物流环境，环境湿度的变化会引起纸质材料性能的改变，从而影响蜂窝纸板的缓冲吸能特性，研究蜂窝纸板能量吸收特性又必须考虑环境湿度的影响。因此，如何从理论上预测蜂窝纸板在各种环境湿度下的能量吸收性能是蜂窝纸板生产商和包装设计人员极为关注的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的蜂窝纸板在任意环境湿度下的能量吸收性能的预测和评估没有可靠的依据，只能通过大量试验才能获得，进行大量试验获取数据程序繁琐、耗时耗力等一系列技术问题，本发明提供了构建一种蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线的方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为提供一种蜂窝纸板在任意环境湿度下能量曲线的构建方法。所述蜂窝纸板在任意环境湿度下的能量吸收曲线的构建方法包括以下步骤：测定蜂窝原纸在标准环境(温度23℃，相对湿度50％)下的弹性模量和屈服强度；测定蜂窝原纸在不同环境湿度下的弹性模量和屈服强度，确定这两个参数随环境湿度的变化规律；计算蜂窝纸板在相应的变形阶段所吸收的能量，每个变形阶段吸收的能量都是应力的函数；将蜂窝原纸弹性模量和屈服强度随相对湿度的变化规律代入上述各阶段能量吸收计算式中；利用所测得的标准环境下蜂窝原纸的弹性模量对每个阶段吸收的能量和对应的应力进行标准化；将所得每一阶段标准化能量吸收与标准化应力之间的关系绘制在具有对数标度的坐标系中，得到不同厚跨比蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线。

本发明的有益效果为：该方法建立了蜂窝纸板能量吸收能力与蜂窝原纸屈服强度和弹性模量、蜂窝胞壁厚跨比以及环境湿度之间的关系。利用该方法，既可预估给定材质和构型的蜂窝纸板在要求的环境湿度下的能量吸收能力，又可根据给定的能量吸收任务优化选择合适的蜂窝纸板材质和孔型。根据该方法，无需太多试验便可快速准确地绘制蜂窝纸板在不同湿度下的能量吸收曲线，寻求到给定材质构型的蜂窝纸板在各种不同环境湿度下的最佳吸能点，也可根据物流环境湿度条件和产品缓冲吸能的要求反求蜂窝纸板的结构参数，为蜂窝纸板缓冲包装优化设计提供有益的参考。

附图说明

附图1为本发明所涉及的面外压缩蜂窝纸板的结构示意图及蜂窝胞元尺寸示意图。

附图2为利用本发明所述方法构建的蜂窝纸板在不同环境湿度条件下的能量吸收曲线。

附图3为本发明所述的蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线的构建方法流程图。

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。

如图1所示，蜂窝纸板是由外面纸1、内面纸3和纸蜂窝芯2构成的夹层结构，呈二维排列的正六边形纸蜂窝芯2的原材料为蜂窝原纸。正六边形蜂窝胞元的主要结构参数是胞壁厚度t和胞元边长l，这两个参数均可由蜂窝纸板生产厂家提供。

蜂窝纸板能够将冲击能量通过塑性变形的方式耗散，在物流环节中常用做能量吸收装置或缓冲衬垫以保护产品在突发的跌落冲击事故中不受损坏。当作为这种用途时，面外轴向压缩时常见的施力方式(外力作用于蜂窝纸板厚度方向，如图1中4所示方向)。在面外压缩载荷作用下，蜂窝纸板发生渐进的规律的叠缩，从而耗散大量的冲击能量。

蜂窝纸板的能量吸收性能主要由纸蜂窝芯的结构参数、蜂窝原纸的固有性能以及环境湿度决定，其能量吸收曲线预测方程为：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{W}{{E_s}^0}=C_1{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_p}{{E_s}^0}\right)}^2,& \frac{{\mathrm{\σ}}_p}{{E_s}^0}\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pk}}}{{E_s}^0}\\ \frac{W}{{E_s}^0}=C_2,& \frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pl}}}{{E_s}^0}\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_p}{{E_s}^0}\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pk}}}{{E_s}^0}\\ \frac{W}{{E_s}^0}=C_3({\mathrm{\ϵ}}_p-{\mathrm{\ϵ}}_0),& \frac{{\mathrm{\σ}}_p}{{E_s}^0}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pl}}}{{E_s}^0}\\ \frac{W}{{E_s}^0}=C_{3}g\left(\frac{t}{l}\right),& \frac{{\mathrm{\σ}}_p}{{E_s}^0}\≥\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pl}}}{{E_s}^0}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，W/E_s ⁰和σ_p/E_s ⁰分别表示单位体积标准化能量吸收和标准化应力；t/l为蜂窝胞壁厚度与胞元跨度之比，简称厚跨比；函数关系g(t/l)可通过对蜂窝纸板胞壁厚跨比-密实化应变数据进行线性拟合得到。三个常数C₁，C₂和C₃由下式决定：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=\frac{1}{2k_1}\frac{1}{f_1\left(\mathrm{RH}\right)}\frac{1}{t/l}\\ C_2=8.74K^2\frac{{f_2}^2\left(\mathrm{RH}\right)}{f_1\left(\mathrm{RH}\right)}{(t/l)}^5\\ C_3=\frac{{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ys}}}^0}{{E_s}^0}{f}_3\left(\mathrm{RH}\right)[6.45{(t/l)}^{5/3}+0.667{(t/l)}^2]\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，E_s ⁰，σ_ys ⁰是蜂窝原纸在标准环境下的弹性模量和屈服强度，可以由检测仪器检测；参数f₁(RH)，f₂(RH)，f₃(RH)，k₁和K可通过以下步骤获得：第一，通过检测装置检测不同厚跨比的蜂窝纸板在标准环境下的弹性模量E₃ ^*0以及其他非标准环境条件下的弹性模量E₃ ^*，通过对实验数据的拟合得到f₁(RH)；第二，通过检测装置检测蜂窝原纸在标准环境下的弹性模量E_s ⁰和屈服强度σ_ys ⁰以及在其他非标准环境条件下的弹性模量E_s和屈服强度σ_ys，通过对实验数据的拟合得到f₂(RH)与f₃(RH)；第三，通过检测装置检测不同厚跨比蜂窝纸板在任意环境湿度下的初始峰值应力，通过对实验数据的拟合得到k₁，K；

将E_s ⁰，σ_ys ⁰，f₁(RH)，f₂(RH)，f₃(RH)，k₁和K代入公式(2)，给定蜂窝胞壁厚跨比(胞壁厚度与胞元边长之比，t/l，此数据可由生产企业提供)和环境湿度(RH)，得到常数C₁，C₂和C₃；将常数C₁，C₂，C₃以及g(t/l)代入公式(1)，得到不同厚跨比蜂窝纸板在任意环境湿度下各个变形阶段的标准化能量吸收与标准化应力之间的关系；将所得标准化能量吸收与标准化应力之间的关系绘制在具有对数标度的坐标系中，得到不同厚跨比蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线。

按照上述步骤绘制的厚跨比分别为0.0329、0.0263和0.0219的蜂窝纸板在温度恒定为23℃，相对湿度分别为40％、50％、60％、75％、85％和95％的六组环境条件下的能量吸收曲线如图2所示。由于蜂窝纸板在40％、50％、60％、75％四组湿度下的能量吸收曲线基本重合，因此在图2中用一条平均曲线代替上述4条能量吸收曲线。

如图3所示，本发明所述不同环境湿度下蜂窝纸板能量吸收曲线构建方法的流程为：测定蜂窝原纸在标准环境下的弹性模量和屈服强度；测定蜂窝原纸在不同环境湿度下的弹性模量和屈服强度，确定这两个参数随环境湿度的变化规律；计算蜂窝纸板在相应的变形阶段所吸收的能量，每个变形阶段吸收的能量都是应力的函数；将蜂窝原纸弹性模量和屈服强度随相对湿度的变化规律代入上述各阶段能量吸收计算式中；利用所测得的标准环境下蜂窝原纸的弹性模量对每个阶段吸收的能量和对应的应力进行标准化；将所得每一阶段标准化能量吸收与标准化应力之间的关系绘制在具有对数标度的坐标系中，得到不同厚跨比蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线。

通过本发明所构建的能量吸收曲线可方便准确地寻求到给定材质构型的蜂窝纸板在各种不同环境湿度下的最佳吸能点，也可根据物流环境湿度条件和产品缓冲吸能的要求反求蜂窝纸板的结构参数，为蜂窝纸板缓冲包装优化设计提供有益的参考。

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的详细说明，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，还可做出若干种简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线的构建方法，其特征在于：所述的能量吸收曲线的构建方法为：

A：测定蜂窝原纸在不同环境湿度下的弹性模量和屈服强度，确定这两个参数随环境湿度的变化规律；

B：计算蜂窝纸板在每个变形阶段所吸收的能量；

C：将蜂窝原纸弹性模量和屈服强度随相对湿度的变化规律代入上述各阶段能量吸收计算式中；

D：利用所测得的蜂窝原纸在标准环境下的弹性模量对每个阶段吸收的能量和对应的应力进行标准化；

E：将所得每一阶段标准化能量吸收与标准化应力之间的关系绘制在具有对数标度的坐标系中，得到不同厚跨比蜂窝纸板在不同环境湿度下的能量吸收曲线；

所述标准环境为温度23℃，相对湿度50％；

用于标准化的蜂窝原纸的弹性模量为纸张的纵向弹性模量；

蜂窝原纸的弹性模量和屈服强度随相对湿度的变化规律是在恒定温度23℃下的变化规律。