CN117217028A - 瓦楞纸箱设计方法、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瓦楞纸箱设计方法、设备和存储介质，该方法包括：根据初始瓦楞纸张，确定纸张力学参数，进而构建初始纸张模型；结合初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型，并确定纸板力学参数；结合初始纸箱结构，构建初始纸箱模型，并进行抗压测试，确定测试抗压强度，并根据测试抗压强度和经验抗压强度，确定纸箱抗压强度；在纸箱抗压强度小于第一强度阈值的情况下，更新初始瓦楞结构参数，以得到目标纸箱模型；在纸箱抗压强度大于或等于第一强度阈值且纸箱抗压强度小于第二强度阈值的情况下，更新初始纸箱结构，以得到目标纸箱模型。本发明实现了从纸张到纸板，再到纸箱的模型构建，并仿真测试调节各部分模型，以使瓦楞纸箱满足抗压需求。
Description
技术领域
本发明涉及包装仿真设计领域，尤其涉及一种瓦楞纸箱设计方法、设备和存储介质。
背景技术
针对包装行业的快速发展，瓦楞纸箱由于其良好的抗压及缓冲性能，符合现代物流与运输包装工业的应用发展趋势。
目前，对瓦楞纸箱性能的研究，对瓦楞纸箱的抗压稳定性研究主要通过大量的实验，这种方法不仅费时还浪费大量人力成本。随着计算机技术及数值计算方法的发展，通过建立数字模型，输入与实验环境相同的边界条件，借助计算机计算得到瓦楞纸箱压溃模型的方法逐渐成熟。由于瓦楞纸箱整体结构模型复杂，仿真过程中设置材料参数、接触和边界条件较为繁琐，计算量大，受各种条件影响，通过实验测量的纸张力学参数差异性较大，因此，难以准确确定整体的纸箱抗压强度和局部纸板的破坏情况。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种瓦楞纸箱设计方法、设备和存储介质，实现从纸张到纸板，从纸板到纸箱的模型构建，并仿真测试调节各模型，以使瓦楞纸箱满足使用需求，提高抗压效果。
本发明实施例提供了一种瓦楞纸箱设计方法，该方法包括：
根据初始瓦楞纸张，确定所述初始瓦楞纸张的纸张力学参数，并根据所述纸张力学参数，构建初始纸张模型；
根据所述初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型，并确定所述初始纸板模型的纸板力学参数；
基于所述纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型，并对所述初始纸箱模型进行抗压测试，确定所述初始纸箱模型的测试抗压强度，并根据所述测试抗压强度以及所述初始纸箱模型的经验抗压强度，确定纸箱抗压强度；
在所述纸箱抗压强度小于第一强度阈值的情况下，更新初始瓦楞结构参数，并返回执行所述根据所述初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型的步骤，直至所述纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值，将所述初始纸箱模型确定为目标纸箱模型；
在所述纸箱抗压强度大于或等于所述第一强度阈值且所述纸箱抗压强度小于所述第二强度阈值的情况下，更新初始纸箱结构，并返回执行所述基于所述纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型的步骤，直至所述纸箱抗压强度大于或等于所述第二强度阈值，将所述初始纸箱模型确定为目标纸箱模型。
本发明实施例提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
处理器和存储器；
所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行任一实施例所述的瓦楞纸箱设计方法的步骤。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行任一实施例所述的瓦楞纸箱设计方法的步骤。
本发明实施例具有以下技术效果：
通过根据初始瓦楞纸张，确定初始瓦楞纸张的纸张力学参数，并根据纸张力学参数，构建初始纸张模型，进而，根据初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型，并确定初始纸板模型的纸板力学参数，基于纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型，并对初始纸箱模型进行抗压测试，确定初始纸箱模型的测试抗压强度，并根据测试抗压强度以及初始纸箱模型的经验抗压强度，确定纸箱抗压强度。在纸箱抗压强度小于第一强度阈值的情况下，更新初始瓦楞结构参数，并返回执行根据初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型的步骤，直至纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值，将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型；在纸箱抗压强度大于或等于第一强度阈值且纸箱抗压强度小于第二强度阈值的情况下，更新初始纸箱结构，并返回执行基于纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型的步骤，直至纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值，将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型，实现了从纸张到纸板，从纸板到纸箱的模型构建，并仿真测试调节各模型，以使瓦楞纸箱满足使用需求，提高了抗压效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种瓦楞纸箱设计方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的瓦楞纸板结构的示意图；
图3是本发明实施例提供的边压测试的示意图；
图4是本发明实施例提供的平压测试的示意图；
图5是本发明实施例提供的竖压测试的示意图；
图6是本发明实施例提供的初始纸箱模型的示意图；
图7是本发明实施例提供的三维边界条件以及目标区域对应的部分初始纸板模型的示意图；
图8是本发明实施例提供的目标区域以及区域纸板破坏情况的示意图；
图9是本发明实施例提供的语义分割结果瓦楞优化前后的对比示意图；
图10是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本发明实施例提供的瓦楞纸箱设计方法，主要适用于构建瓦楞纸张模型、瓦楞纸板模型以及瓦楞纸箱模型，并对瓦楞纸箱模型进行抗压测试，以保证仿真设计的瓦楞纸箱模型满足抗压需求的情况。本发明实施例提供的瓦楞纸箱设计方法可以由电子设备执行。
图1是本发明实施例提供的一种瓦楞纸箱设计方法的流程图。参见图1，该瓦楞纸箱设计方法具体包括：
S110、根据初始瓦楞纸张，确定初始瓦楞纸张的纸张力学参数，并根据纸张力学参数，构建初始纸张模型。
其中，初始瓦楞纸张是待使用的瓦楞纸张，并不一定是最终确定使用的瓦楞纸张。纸张力学参数是用于描述纸张力学性能的参数，例如可以包括各个方向弹性模量、泊松比和屈服极限等。初始纸张模型是在包含纸张力学参数的纸张模型。
具体的，选取待使用的瓦楞纸张作为初始瓦楞纸张，并通过测试或者计算等方式，确定初始瓦楞纸张的纸张力学参数。进而，构建包含初始瓦楞纸张的纸张力学参数的初始纸张模型，以用于后续构建初始瓦楞纸板模型。
在上述示例的基础上，可以通过下述方式来根据初始瓦楞纸张，确定初始瓦楞纸张的纸张力学参数：
根据初始瓦楞纸张，获取初始瓦楞纸张的纸张纤维直径、纸张纤维长度以及纸张含水率；
将纸张纤维直径、纸张纤维长度以及纸张含水率，输入至预先训练的力学参数预测模型中，得到初始瓦楞纸张的纸张力学参数。
其中，力学参数预测模型基于样本瓦楞纸张的样本纤维直径、样本纤维长度、样本含水率以及样本力学参数对线性回归模型训练得到。样本瓦楞纸张是各种预先获取了样本纤维直径、样本纤维长度、样本含水率以及样本力学参数的瓦楞纸张。纸张纤维直径、纸张纤维长度可以通过显微镜等观察测量获取，纸张含水率可以通过烘干法等方式获取，当然，也可以使用其他方式获取，在本实施例中不做具体限定。
具体的，可以通过对初始瓦楞纸张的测试和提取，获取初始瓦楞纸张的纸张纤维直径、纸张纤维长度以及纸张含水率，并将这些参数输入到预先训练的力学参数预测模型中，将模型的输出结果作为初始瓦楞纸张的纸张力学参数。
示例性的，采用样本瓦楞纸张，记录样本瓦楞纸张中的样本纤维直径和样本纤维长度，采用烘干法记录样本含水率。同样，针对同批次的样本瓦楞纸张进行宏观力学性能实验，得到各个方向弹性模量、泊松比和屈服极限，即样本力学参数。通过上述过程得到样本瓦楞纸张集合的材料参数集合（样本纤维直径、样本纤维长度、样本含水率以及样本力学参数），形成可支撑宏观力学性能预测的材料基因数据库。提取材料基因数据库中各样本瓦楞纸张的三种及以上特征，当前暂定为样本纤维长度、样本纤维直径和样本含水率，采用机器学习中线性回归方法建立多个样本瓦楞纸张特征对应样本瓦楞纸张的单一宏观力学性能（样本力学参数）的预测模型，即根据残差平方和最小的评判标准拟合多元线性回归方程。进而，输入初始瓦楞纸张在显微镜下的图像，可以自动提取纸张纤维直径、纸张纤维长度，还输入纸张含水率，结合机器学习（力学参数预测模型）快速预测具有该组特征的初始瓦楞纸张的宏观力学性能，便于将该宏观力学性能传递至宏观结构计算，即初始纸板模型构建。
需要说明的是，线性回归是一种常用的机器学习算法，它可以用于预测连续值，采用线性回归方法可以速度较快的处理大量的数据，在瓦楞体系计算方法中需要集成大量的数据信息，从而精准预测瓦楞纸张的宏观力学性能；其余常用机器学习算法如支持向量机等，虽然处理小规模样本表现良好，但面对高维度数据时，缺乏数据敏感性，不适用于该瓦楞体系计算。
S120、根据初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型，并确定初始纸板模型的纸板力学参数。
其中，初始瓦楞结构参数是用于描述瓦楞纸板结构的参数，是构建由初始纸张模型构建初始纸板模型所需的瓦楞结构参数，可以包括瓦楞形状、瓦楞高度、瓦楞宽度、瓦楞间隔等，瓦楞纸板结构如图2所示。初始纸板模型是在初始纸张模型的基础上通过初始瓦楞结构参数构建的瓦楞纸板模型。纸板力学参数是用于描述瓦楞纸板力学性能的参数，例如可以包括各个方向弹性模量、泊松比和屈服极限等。
具体的，在初始纸张模型的基础上通过初始瓦楞结构参数构建瓦楞，并可以按照胶水参数进行粘结，得到初始纸板模型。进而，可以通过对初始纸板模型进行测试或者计算等方式，确定初始纸板模型的纸板力学参数。
也可以是，通过一比一还原初始纸板模型，以面单元替代瓦楞纸（初始纸张模型）。根据使用胶水特性（胶水参数），设定胶水粘结厚度等，胶水与瓦楞纸之间设置为共节点，以便于应力传递。基于纸张力学参数，将该纸张力学参数赋予初始纸板模型中的面单元。
在上述示例的基础上，可以通过下述方式来确定初始纸板模型的纸板力学参数：
根据初始纸板模型，确定初始纸板模型的纸板边压强度；
在纸板边压强度大于预设边压强度的情况下，对初始纸板模型进行边压、平压、竖压测试，确定初始纸板模型的纸板力学参数。
其中，纸板边压强度是对初始纸板模型进行边压测试时获取的强度值。预设边压强度是预先设定的用于判断初始纸板模型能否用于后续构建初始纸箱模型的阈值。
具体的，对初始纸板模型进行边压测试，可以得到纸板边压强度。将纸板边压强度与预设边压强度进行比较，判断初始纸板模型是否可以用于后续构建初始纸箱模型。若纸板边压强度大于预设边压强度，则表明初始纸板模型可以继续使用，进一步，对初始纸板模型进行边压、平压、竖压测试，通过测试获取初始纸板模型在各个方向弹性模量、泊松比和屈服极限等，构成初始纸板模型的纸板力学参数。
示例性的，边压测试的示意图如图3所示，平压测试的示意图如图4所示，竖压测试的示意图如图5所示。采用不可变型刚体模拟机器模拟刚体下压，其中，一侧刚体模型（图3、图4和图5中的下侧刚体模型）完全固定，另一侧刚体模型（图3、图4和图5中的上侧刚体模型）匀速下压，两侧的刚体模型之间放置不同姿态的初始纸板模型，在刚体模型与初始纸板模型之间设置预设摩擦系数，刚体模型模拟下压过程中记录并输出刚体支反力，便于计算初始纸板模型的纸板力学参数。其中，边压测试对应的初始纸板模型的姿态为初始纸板模型的第一接触面与两侧的刚体模型相接触，第一接触面为初始纸板模型中与各瓦楞结构的横截面相平行的接触面；平压测试对应的初始纸板模型的姿态为初始纸板模型的第二接触面与两侧的刚体模型相接触，第二接触面为初始纸板模型中与瓦楞楞高相垂直的接触面；竖压测试对应的初始纸板模型的姿态为初始纸板模型的第三接触面与两侧的刚体模型相接触，第三接触面为初始纸板模型中与瓦楞楞宽相垂直的接触面。
为了后续计算完整纸箱抗压强度，须为初始纸箱模型中的初始纸板模型赋予纸板力学参数，其中，纸板力学参数来自于对初始纸板模型的边压、平压、竖压测试。示例性的，调整刚体模型模拟的下压板位置，输出上述三种模拟测试中初始纸板模型的应力应变曲线，读取曲线中代表纸板弹性应变阶段，计算其各个方向弹性模量，读取曲线弹性区域末端，计算各个方向屈服应力，输出纸板变形情况，计算其各个方向泊松比。
在上述示例的基础上，可以通过下述方式来根据初始纸板模型，确定初始纸板模型的纸板边压强度：
对初始纸板模型进行预设次数的边压测试，确定每次边压测试对应的单次支反力峰值；
将各单次支反力峰值的最大值与初始纸板模型的长度的比值，确定为初始纸板模型的纸板边压强度。
其中，预设次数需要预先设定，至少为两次。单次支反力峰值是对初始纸板模型进行边压测试记录的用于下压的刚体模型的支反力曲线中的峰值。初始纸板模型的长度为初始纸板模型沿瓦楞楞宽方向的长度。
具体的，针对初始纸板模型进行预设次数的边压测试，记录每次边压测试时的用于下压的刚体模型的支反力曲线。将各支反力曲线中的峰值作为每次边压测试对应的单次支反力峰值。进一步的，使用各单次支反力峰值的最大值除以初始纸板模型的长度，得到初始纸板模型的纸板边压强度。
示例性的，在瓦楞体系计算中，瓦楞纸板的边压强度是衡量瓦楞纸箱的抗压强度的一个重要指标，通过前面设定的初始纸板模型模型，计算输出刚体下压板（用于下压的刚体模型）的支反力曲线，读取曲线峰值（单次支反力峰值），除去瓦楞纸板试件长度（初始纸板模型的长度），即为纸板边压强度。具体可以通过下述公式确定纸板边压强度：
其中，E表示初始纸板模型的纸板边压强度，F1表示第1次边压测试对应的单次支反力峰值，FN表示第N次边压测试对应的单次支反力峰值，N表示预设次数，L表示初始纸板模型的长度。
在上述示例的基础上，在确定初始纸板模型的纸板边压强度之后，还存在纸板边压强度小于或等于预设边压强度的情况，在这种情况下，可以重新调节初始纸板模型中的初始瓦楞结构参数或者更换初始瓦楞纸张，具体可以是：
在纸板边压强度小于或等于预设边压强度的情况下，判断是否存在备选瓦楞结构参数；
若是，则基于备选瓦楞结构参数更新初始瓦楞结构参数，并返回执行根据初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型的步骤；
若否，则更新初始瓦楞纸张，并返回执行根据初始瓦楞纸张，确定初始瓦楞纸张的纸张力学参数的步骤。
其中，备选瓦楞结构参数是构建瓦楞纸箱时，处理初始瓦楞结构参数之外的可选的瓦楞结构参数。
具体的，若纸板边压强度小于或等于预设边压强度，则表明初始纸板模型不可以继续使用，进一步，需要调节初始瓦楞结构参数或者初始瓦楞纸张。可以先判断是否存在备选瓦楞结构参数，即可选范围内的其他瓦楞结构参数，若是，则将备选瓦楞结构参数作为新的初始瓦楞结构参数，并返回执行根据初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型的步骤，以重新构建初始纸板模型，直至纸板边压强度大于预设边压强度；若否，则更新初始瓦楞纸张，并返回执行根据初始瓦楞纸张，确定初始瓦楞纸张的纸张力学参数的步骤，以通过更换初始瓦楞纸张来提高纸板边压强度，直至纸板边压强度大于预设边压强度。
示例性的，如果纸板边压强度小于或等于预期目标（预设边压强度），则根据需求返回重新设计瓦楞结构或者瓦楞纸张的选材，即工程师在设计之初，如果针对某种包装产品根据相关行业规范必须选用该结构瓦楞纸板（固定的瓦楞结构参数，无备选瓦楞结构参数），在不符合设计目标情况下返回选材（更新初始瓦楞纸张）；如果针对某种产品未有要求使用该结构瓦楞纸板，则返回重接结构设计（基于备选瓦楞结构参数更新初始瓦楞结构参数）。
S130、基于纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型，并对初始纸箱模型进行抗压测试，确定初始纸箱模型的测试抗压强度，并根据测试抗压强度以及初始纸箱模型的经验抗压强度，确定纸箱抗压强度。
其中，初始纸箱结构为预先设计的纸箱结构，可以包括纸箱的长、宽、高、按照预先设置的压痕折叠成指定形状、纸箱长折板和短折板结构参数以及固定方式，固定方式例如胶带固定等。初始纸箱模型为按照初始纸箱结构构建的，包括纸板力学参数的瓦楞纸箱模型，初始纸箱模型如图6所示。测试抗压强度为对初始纸箱模型进行抗压测试得到的抗压强度。经验抗压强度为对初始纸箱模型按照经验公式进行计算得到的抗压强度。纸箱抗压强度是用于描述初始纸箱模型抗压性能的抗压强度，可以理解为综合考虑测试抗压强度和经验抗压强度得到的抗压强度。
具体的，可以根据初始纸箱结构，构建没有力学参数的原始纸箱模型，进而，为原始纸箱模型赋予纸板力学参数，可以得到初始纸箱模型。为了得到纸箱抗压强度，可以分别获取测试抗压强度和经验抗压强度，具体通过对初始纸箱模型进行抗压测试得到测试抗压强度，通过经验公式得到经验抗压强度。进而，综合测试抗压强度和经验抗压强度得到纸箱抗压强度。例如，选择二者中的最大值、最小值、平均值作为纸箱抗压模型或者对二者通过预先训练的抗压强度模型处理得到纸箱抗压强度。
示例性的，按照初始纸箱结构，设定纸箱的长宽高，初始瓦楞纸箱模型由初始瓦楞纸板模型自由根据预先设置的压痕折叠成指定形状，为真实反应瓦楞纸箱特征，初始纸箱模型中建立完整纸箱长折板和短折板，并以固定方式（如胶带）固定，初始纸箱模型的箱体采用一体化连接方式。
示例性的，通过纸板力学参数，作为初始纸箱模型的抗压测试的计算输入条件，基于前面建立的模拟刚体板下压的模型，完成刚体模型的模拟匀速下压，直至初始纸箱模型的箱体压溃，记录并输出刚体模型的支反力-位移曲线，取其峰值作为测试抗压强度。
示例性的，根据经验公式，初始纸板模型的纸板边压强度、初始纸板模型的纸板厚度以及初始纸箱模型的纸箱周长，上述三者与经验抗压强度存在线性关系，经验公式具体为：
其中，E为初始纸板模型的纸板边压强度，T为初始纸板模型的纸板厚度，C为初始纸箱模型的纸箱周长，B1为初始纸箱模型的经验抗压强度。
在上述示例的基础上，可以通过下述方式来根据测试抗压强度以及初始纸箱模型的经验抗压强度，确定纸箱抗压强度：
根据测试抗压强度以及初始纸箱模型的经验抗压强度，确定抗压测试误差；
在抗压测试误差小于误差阈值的情况下，将测试抗压强度确定为纸箱抗压强度；
在抗压测试误差大于或等于误差阈值的情况下，将测试抗压强度与经验抗压强度中的最小值确定为纸箱抗压强度。
其中，抗压测试误差为经验抗压强度与测试抗压强度之间的差值除以测试抗压强度所得的误差值。误差阈值为预先设定的用于判断抗压测试误差是否符合使用需求的误差值，例如10%等。
具体的，用经验抗压强度减去测试抗压强度得到误差差值，将误差差值除以测试抗压强度得到抗压测试误差。若抗压测试误差小于误差阈值，则表明抗压测试误差符合误差需求，因此，可以使用测试抗压强度，进一步的，将测试抗压强度确定为纸箱抗压强度。若抗压测试误差大于或等于误差阈值，则表明抗压测试误差不符合误差需求，因此，为了避免纸箱抗压强度过大，将测试抗压强度与经验抗压强度中的最小值确定为纸箱抗压强度。
示例性的，采用经验公式计算和仿真模型计算互相验证来确保计算结果准确可靠性，由于经验公式适用范围有限，对于特定箱型计算结果有可能产生偏差。例如：测试抗压强度相对于经验抗压强度在数值上相差小于误差阈值（如10%），则证明结果可靠，并采用测试抗压强度作为输出结果，即纸箱抗压强度；如测试抗压强度相对于经验抗压强度在数值上相差大于或等于误差阈值，则选择两者之间最小值作为纸箱抗压强度，以保证瓦楞纸箱设计的安全性。
S140、在纸箱抗压强度小于第一强度阈值的情况下，更新初始瓦楞结构参数，并返回执行根据初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型的步骤，直至纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值，将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型。
其中，第一强度阈值为预先设定的用于判断是否需要重新从初始瓦楞结构参数开始构建初始纸箱模型的抗压强度。第二强度阈值为预先设定的用于判断是否需要重新从初始纸箱结构开始构建初始纸箱模型的抗压强度。目标纸箱模型为设计得到的且抗压测试通过的纸箱模型。
具体的，若纸箱抗压强度小于第一强度阈值，则表明当前的初始纸箱模型的纸箱抗压强度不足，需要重新从初始瓦楞结构参数开始构建初始纸箱模型，具体是：更新初始瓦楞结构参数，并返回执行根据初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型的步骤，以重新构建初始纸箱模型，并确定初始纸箱模型的纸箱抗压强度，直至纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值时，确定纸箱抗压强度满足抗压强度需求，进而，将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型。
S150、在纸箱抗压强度大于或等于第一强度阈值且纸箱抗压强度小于第二强度阈值的情况下，更新初始纸箱结构，并返回执行基于纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型的步骤，直至纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值，将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型。
具体的，若纸箱抗压强度大于或等于第一强度阈值且纸箱抗压强度小于第二强度阈值，则表明当前的初始纸箱模型的纸箱抗压强度不足，需要重新从初始纸箱结构开始构建初始纸箱模型，具体是：更新初始纸箱结构，并返回执行基于纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型的步骤，以重新构建初始纸箱模型，并确定初始纸箱模型的纸箱抗压强度，直至纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值时，确定纸箱抗压强度满足抗压强度需求，进而，将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型。
可以理解的是，在纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值的情况下，将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型。
示例性的，判断纸箱抗压强度是否大于或等于预期设计抗压强度目标（第二强度阈值）Bm，如果大于或等于Bm，即进入下一步流程；如果小于Bm，则返回重新设计，针对返回重新设计阶段设置两个判据：B<0.8Bm和0.8Bm≤B<Bm，其中，B为纸箱抗压强度，Bm为第二强度阈值，0.8Bm为第一强度阈值，在纸箱抗压实验中可知，纸板结构（初始瓦楞结构参数）对纸箱抗压强度的影响略大于纸箱尺寸（初始纸箱结构）影响。若纸箱抗压强度小于0.8Bm，则返回纸板设计，即更新初始瓦楞结构参数，若纸箱抗压强度小于Bm且纸箱抗压强度大于或等于0.8Bm，则返回纸箱设计，即更新初始纸箱结构。
在上述示例的基础上，在将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型之后，还可以对目标纸箱模型进行局部区域计算，以有针对性的对目标纸箱模型进行调节，提高目标纸箱模型的抗压性能：
获取目标纸箱模型的目标区域进行抗压测试中的区域纸板破坏情况；
根据区域纸板破坏情况，更新目标纸箱模型。
其中，目标区域为目标纸箱模型中预设边界条件所对应的局部区域，预设边界条件包括三维边界条件。区域纸板破坏情况是用于描述目标区域中实体单元恢复为纸板结构时，确定出的破坏原因。
具体的，在对目标纸箱模型进行抗压测试时，目标纸箱模型是以实体单元的形式展现的，将目标区域内的部分实体单元恢复为初始纸板模型，并根据目标区域对应的部分初始纸板模型在抗压测试中，直至压溃时的状态，分析确定区域纸板破坏情况。进一步的，根据区域纸板破坏情况，确定最容易损坏的部分，有针对性的调节该部分，来更新目标纸箱模型，以进一步提高目标纸箱模型的纸箱抗压强度。
示例性的，在瓦楞纸箱整体模型计算中，以实体单元替代纸板，忽略了纸板结构（初始纸板模型），通过对目标区域分析计算得到瓦楞纸板具体破坏情况（区域纸板破坏情况）。针对三维的目标纸箱模型，通过积分公式得到选取部位边界网格节点相对变化位置，如图7所示，包括三维边界条件，即ux，uy以及uz。获取目标区域的边界条件变化后，建立同等体积含瓦楞结构纸板（目标区域对应的部分初始纸板模型），如图7所示，将边界条件变化带入目标区域对应的部分初始纸板模型中并采用前面同样基础设置，得到目标区域的区域纸板破坏情况。
在上述示例的基础上，可以根据区域纸板破坏情况，更新目标纸箱模型，具体可以包括下述各情况：
情况一、若区域纸板破坏情况为纸张破裂，则将目标纸箱模型对应的待优化纸张模型变更为目标纸张模型。
其中，待优化纸张模型为目标纸箱模型中的纸张模型，可以是构建目标纸箱模型是使用的初始纸张模型。目标纸张模型的纸张力学参数优于待优化纸张模型的纸张力学参数。
具体的，若区域纸板破坏情况为纸张破裂，则表明纸张强度较低，因此，将目标纸箱模型对应的待优化纸张模型替换为纸张力学参数优于待优化纸张模型的目标纸张模型，以得到新的目标纸箱模型，提高目标纸箱模型的纸箱抗压强度。
情况二、若区域纸板破坏情况为纸张胶水分离，则将目标纸箱模型对应的待优化纸板模型中的待优化胶水参数变更为目标胶水参数。
其中，待优化胶水参数为目标纸箱模型中的胶水参数，可以是构建目标纸箱模型是使用的胶水参数，具体可以是瓦楞纸板中的胶水参数。目标胶水参数的粘结能力优于待优化胶水参数的粘结能力。
具体的，若区域纸板破坏情况为纸张胶水分离，则表明胶水的粘结性较低，导致初始纸板模型中的纸张和瓦楞分离，因此，将目标纸箱模型对应的待优化纸板模型中的待优化胶水参数替换为粘结能力优于待优化胶水参数的目标胶水参数，即更换粘结能力更强的胶水，以得到新的目标纸箱模型，提高目标纸箱模型的纸箱抗压强度。
情况三、若区域纸板破坏情况为瓦楞结构坍塌，则将目标纸箱模型对应的待优化纸板模型中的待优化瓦楞结构参数变更目标瓦楞结构参数。
其中，待优化瓦楞结构参数为目标纸箱模型中的瓦楞结构参数，可以是构建目标纸箱模型是使用的初始纸板模型对应的初始瓦楞结构参数。目标瓦楞结构参数中的瓦楞间隔小于待优化瓦楞结构参数中的瓦楞间隔。
具体的，若区域纸板破坏情况为瓦楞结构坍塌，则表明瓦楞的抗压性能较差，因此，将目标纸箱模型对应的待优化纸板模型中的待优化瓦楞结构参数替换为瓦楞间隔小于待优化瓦楞结构参数中的瓦楞间隔的目标瓦楞结构参数，以得到新的目标纸箱模型，提高目标纸箱模型的纸箱抗压强度。
示例性的，基于压溃部位结构的破坏特征（区域纸板破坏情况），主要分为纸张破裂、纸张胶水分离、瓦楞结构坍塌等，针对区域纸板破坏情况，设计人员可以保持目标纸箱模型的体积不变，选择改变瓦楞楞宽、楞纸参数、胶水粘结强度等方法，重新构造目标瓦楞纸板。进而，还可以代入相同的三维边界条件，再次试验、计算并输出结果，对比两种模型表现，如：应力集中区域减弱，胶结断裂现减少，进而为重新结构优化设计提供参考，为未来同类型纸箱设计提供数据基础。
示例性的，打开高通量瓦楞体系计算平台（包括力学参数预测模型），输入初始瓦楞纸张的检测图片，并输入含水率5%、含胶率12%和厚度0.2mm灯，自动快速计算出初始瓦楞纸张为正交各向异性材料，通过边压、平压、竖压测试，输出该初始瓦楞纸张的纸张力学参数，如：弹性模量E1=47876MPa，泊松比σ1=28.4MPa，弹性模量E2=1743MPa，泊松比σ2=12.3MPa，弹性模量E3=24MPa，泊松比σ3=0.14MPa。对于初始纸张模型，面内瓦楞的方向为1方向；面内垂直于瓦楞的方向为2方向；异面方向为3方向。进而，搭建符合边压强度测试的初始纸板模型，本例设计为BC双层瓦楞纸板，设置B瓦楞棱高2.48mm，楞宽5.88mm；C瓦楞棱高2.50mm，楞宽6.89mm；面值厚度0.18mm，楞纸厚度0.2mm，芯纸厚度0.17mm，里纸厚度0.2mm。仿真纸板边压强度实验，记录并输出刚性板（刚体模型）的支反力，直至纸板压溃，支反力迅速下降，记录峰值（单次支反力峰值），根据公式及求出采用该初始纸张模型和初始瓦楞结构参数下，初始纸板模型的边压强度为7.11KN/m。更改刚性板位置，分别对瓦楞纸板进行平压、边压和竖压，记录刚性板支反力和位移曲线数据，并换算成应力-应变关系，求解得到纸板结构的弹性模量Ex=22.8MPa，泊松比σx=0.623MPa，弹性模量Ey=2.9MPa，泊松比σy=0.058MPa，弹性模量Ez=3.2MPa，泊松比σz=1.3MPa，其中，x、y和z表示三个方向。初始纸板模型由于其三个方向结构排布规律不同，等同于各向异性材料。基于上述输出的初始纸板模型的纸板力学参数，赋予纸板对应材料属性。构建初始纸箱模型，仿真纸箱抗压强度实验，记录并输出刚性板的支反力，直至纸箱被压溃，支反力迅速下降，记录峰值即为测试抗压强度。采用该纸板材料和结构的初始纸箱模型的抗压最大值为3400N。根据经验公式，带入初始纸板模型的纸板边压强度进行计算，选择十组纸张材料实验数据，分别计算并与仿真计算结果（测试抗压强度以及经验抗压强度）对比，对比记录如下表所示。
表1 测试抗压强度以及经验抗压强度对比表
在获取目标纸箱模型后，基于最后输出的目标纸箱模型的纸箱抗压强度，以网格节点为边界，截取需要查看具体破坏情况的部分瓦楞纸板，例如选取箱体中心位置一处40mm*25mm区域（目标区域）进行局部分析，目标区域以及区域纸板破坏情况的示意图如图8所示。提取抗压测试过程中目标纸箱模型的抗压仿真结果，对应截取的节点，输出边界位移。基于输出的边界位移，构造局部瓦楞结构模型（目标区域对应的部分初始纸板模型），设定UX为0.5mm，UY为0.4mm，UZ为0.05mm，带入局部瓦楞纸板计算，建立等同于瓦楞纸板大小的瓦楞结构（目标区域对应的部分初始纸板模型），计算局部破坏情况（区域纸板破坏情况），结果如图8所示。基于局部破坏情况，保持目标纸箱模型的体积不变，选择改变瓦楞楞宽，相同长度内瓦楞楞数由4个增加至5个，重新构造目标纸板模型。代入相同边界条件，确定瓦楞优化前后的对比示意图如图9所示，图9中左侧圈出的部分为破坏部分，可以看出，改变结构后的目标纸板模型的应力明显减小，证明此种结构在该工况下更为稳定，设计人员可依靠本次结果重新优化设计。
本实施例具有以下技术效果：通过根据初始瓦楞纸张，确定初始瓦楞纸张的纸张力学参数，并根据纸张力学参数，构建初始纸张模型，进而，根据初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型，并确定初始纸板模型的纸板力学参数，基于纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型，并对初始纸箱模型进行抗压测试，确定初始纸箱模型的测试抗压强度，并根据测试抗压强度以及初始纸箱模型的经验抗压强度，确定纸箱抗压强度。在纸箱抗压强度小于第一强度阈值的情况下，更新初始瓦楞结构参数，并返回执行根据初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型的步骤，直至纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值，将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型；在纸箱抗压强度大于或等于第一强度阈值且纸箱抗压强度小于第二强度阈值的情况下，更新初始纸箱结构，并返回执行基于纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型的步骤，直至纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值，将初始纸箱模型确定为目标纸箱模型，实现了从纸张到纸板，从纸板到纸箱的模型构建，并仿真测试调节各模型，以使瓦楞纸箱满足使用需求，提高了抗压效果。
图10是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。如图10所示，电子设备200包括一个或多个处理器201和存储器202。
处理器201可以是中央处理单元（CPU）或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备200中的其他组件以执行期望的功能。
存储器202可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器（RAM）和/或高速缓冲存储器（cache）等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器（ROM）、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器201可以运行所述程序指令，以实现上文所说明的本发明任意实施例的瓦楞纸箱设计方法以及/或者其他期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储诸如初始外参、阈值等各种内容。
在一个示例中，电子设备200还可以包括：输入装置203和输出装置204，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构（未示出）互连。该输入装置203可以包括例如键盘、鼠标等等。该输出装置204可以向外部输出各种信息，包括预警提示信息、制动力度等。该输出装置204可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出设备等等。
当然，为了简化，图10中仅示出了该电子设备200中与本发明有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备200还可以包括任何其他适当的组件。
除了上述方法和设备以外，本发明的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本发明任意实施例所提供的瓦楞纸箱设计方法的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本发明的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本发明任意实施例所提供的瓦楞纸箱设计方法的步骤。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
需要说明的是，本发明所用术语仅为了描述特定实施例，而非限制本申请范围。如本发明说明书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。
还需说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。
Claims (10)
1.一种瓦楞纸箱设计方法，其特征在于，包括：
根据初始瓦楞纸张，确定所述初始瓦楞纸张的纸张力学参数，并根据所述纸张力学参数，构建初始纸张模型；
根据所述初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型，并确定所述初始纸板模型的纸板力学参数；
基于所述纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型，并对所述初始纸箱模型进行抗压测试，确定所述初始纸箱模型的测试抗压强度，并根据所述测试抗压强度以及所述初始纸箱模型的经验抗压强度，确定纸箱抗压强度；
在所述纸箱抗压强度小于第一强度阈值的情况下，更新初始瓦楞结构参数，并返回执行所述根据所述初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型的步骤，直至所述纸箱抗压强度大于或等于第二强度阈值，将所述初始纸箱模型确定为目标纸箱模型；
在所述纸箱抗压强度大于或等于所述第一强度阈值且所述纸箱抗压强度小于所述第二强度阈值的情况下，更新初始纸箱结构，并返回执行所述基于所述纸板力学参数以及初始纸箱结构，构建初始纸箱模型的步骤，直至所述纸箱抗压强度大于或等于所述第二强度阈值，将所述初始纸箱模型确定为目标纸箱模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述初始纸箱模型确定为目标纸箱模型之后，还包括：
获取所述目标纸箱模型的目标区域进行抗压测试中的区域纸板破坏情况；
根据所述区域纸板破坏情况，更新所述目标纸箱模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述区域纸板破坏情况，更新所述目标纸箱模型，包括：
若所述区域纸板破坏情况为纸张破裂，则将所述目标纸箱模型对应的待优化纸张模型变更为目标纸张模型；其中，所述目标纸张模型的纸张力学参数优于所述待优化纸张模型的纸张力学参数；
若所述区域纸板破坏情况为纸张胶水分离，则将所述目标纸箱模型对应的待优化纸板模型中的待优化胶水参数变更为目标胶水参数；其中，所述目标胶水参数的粘结能力优于所述待优化胶水参数的粘结能力；
若所述区域纸板破坏情况为瓦楞结构坍塌，则将所述目标纸箱模型对应的待优化纸板模型中的待优化瓦楞结构参数变更目标瓦楞结构参数；其中，所述目标瓦楞结构参数中的瓦楞间隔小于所述待优化瓦楞结构参数中的瓦楞间隔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据初始瓦楞纸张，确定所述初始瓦楞纸张的纸张力学参数，包括：
根据初始瓦楞纸张，获取所述初始瓦楞纸张的纸张纤维直径、纸张纤维长度以及纸张含水率；
将所述纸张纤维直径、所述纸张纤维长度以及所述纸张含水率，输入至预先训练的力学参数预测模型中，得到所述初始瓦楞纸张的纸张力学参数；
其中，所述力学参数预测模型基于样本瓦楞纸张的样本纤维直径、样本纤维长度、样本含水率以及样本力学参数对线性回归模型训练得到。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述初始纸板模型的纸板力学参数，包括：
根据所述初始纸板模型，确定所述初始纸板模型的纸板边压强度；
在所述纸板边压强度大于预设边压强度的情况下，对所述初始纸板模型进行边压、平压、竖压测试，确定所述初始纸板模型的纸板力学参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始纸板模型，确定所述初始纸板模型的纸板边压强度，包括：
对所述初始纸板模型进行预设次数的边压测试，确定每次边压测试对应的单次支反力峰值；
将各单次支反力峰值的最大值与所述初始纸板模型的长度的比值，确定为所述初始纸板模型的纸板边压强度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述确定所述初始纸板模型的纸板边压强度之后，还包括：
在所述纸板边压强度小于或等于所述预设边压强度的情况下，判断是否存在备选瓦楞结构参数；
若是，则基于所述备选瓦楞结构参数更新初始瓦楞结构参数，并返回执行所述根据所述初始纸张模型以及初始瓦楞结构参数，构建初始纸板模型的步骤；
若否，则更新初始瓦楞纸张，并返回执行所述根据初始瓦楞纸张，确定所述初始瓦楞纸张的纸张力学参数的步骤。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述测试抗压强度以及所述初始纸箱模型的经验抗压强度，确定纸箱抗压强度，包括：
根据所述测试抗压强度以及所述初始纸箱模型的经验抗压强度，确定抗压测试误差；
在所述抗压测试误差小于误差阈值的情况下，将所述测试抗压强度确定为纸箱抗压强度；
在所述抗压测试误差大于或等于所述误差阈值的情况下，将所述测试抗压强度与所述经验抗压强度中的最小值确定为纸箱抗压强度。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
处理器和存储器；
所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行如权利要求1至8任一项所述的瓦楞纸箱设计方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行如权利要求1至8任一项所述的瓦楞纸箱设计方法的步骤。
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