本科毕业论文范文模点板参考资料:蜂窝纸板的缓冲性能分析及结构设计.doc
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1、蜂窝纸板的缓冲性能分析及结构设计内容摘要:蜂窝纸板是一种新型的包装材料,有着良好的应用前景。本文根据蜂窝纸板的基本结构特征和隔振缓冲的原理,将蜂窝纸板与其他常用的隔振缓冲材料进行了比较,得到了蜂窝纸板的隔振缓冲特点。通过压缩实验,获得了蜂窝纸板的应力与应变之间关系的曲线,实验结果表明蜂窝纸板在压缩过程中,会出现明显的弹性变形、弹塑性变形、塑性坍塌和密实化四个阶段。蜂窝纸板在弹性变形阶段具有隔振功能,在弹塑性变形和塑性坍塌阶段具有缓冲功能。通过改变蜂窝纸板实验的压缩速度,测量了不同变形速率下的应力与应变之间关系的曲线,分析了压缩变形速率对蜂窝纸板缓冲性能的影响。基于实验数据建立了蜂窝纸板的本构关
2、系的动态模型,进行了蜂窝纸板的动态模型的参数识别。参数表明动态模型同实验数据的吻合程度良好,使实验测量的数据具有普遍意义;同时,根据蜂窝纸板的性能特点和实验结果,提出了蜂窝纸板包装结构的最优设计方法,这对隔振缓冲包装设计具有参考价值。关键词:蜂窝纸板;缓冲性能;应力应变曲线;力学模型1 绪论1.1 蜂窝纸板的现状与发展趋势蜂窝纸板至今已有近70年的发展历史,最早用在军事上。例如,在第二次世界大战时,用作降落伞空投的落下工具,主要起缓冲作用,使降落的空运货物在落地时尽量少受损伤;进而,到了20世纪五、六十年代,发达国家将蜂窝纸板应用于建材、包装等领域1。在我国,航天工业部门首先引进蜂窝技术制造航
3、天和航空材料,并逐步民用领域推广,经过长期反复的研制,在80年代初取得成功。实践证明,蜂窝技术是一项具有很高实用价值的科学技术2。上世纪末以来,为保护环境和防止植物害虫的扩散传播,美国、加拿大、英国等先进国家先后颁布法令,禁令木质包装材料入境,这限制了我国货物的出口。1999年6月,欧盟15国实行紧急措施,防止中国产品木质包装中携带的虫害在欧盟扩散。实际限制木质包装禁令导致我国外贸出口在1998年10月就开始下降,解决木质包装问题已迫在眉睫。当时,我国对美国出口的货物约有一半采用木质包装,如果采用熏蒸办法,其费用十分昂贵。因此,我国不得不考虑尽快开发出适合我国国情和出口需要的新型包装材料,加速
4、推出代木包装材料,而蜂窝纸板是理想材料,成为推广应用的热点3。蜂窝纸板作为一种新型的节约资源、保护生态环境、成本低廉的包装材料,具有轻、强、刚、稳四大优点,体现了全新的包装理念。蜂窝纸板在包装领域有着良好的发展和应用前景。在国际上,上世纪60年代就已开始研制蜂窝纸板生产技术。目前,我国也已有大批量连续生产技术和生产设备,蜂窝纸板企业发展有数百家,形成了具有一定生产能力的包括原辅材料、生产设备及蜂窝纸板、托盘、包装箱衬垫隔板等产业相互配套的一代新兴行业,已经形成了一定的生产规模4。1.2 蜂窝纸板在运输包装中的应用蜂窝纸板的大量应用在包装、建筑、储运等领域,另外在家具、装饰、广告、殡葬、农业中也
5、有一定的应用5。目前,我国的蜂窝纸板主要用于运输包装,尤其是用于家电行业的出口包装。蜂窝纸板在运输包装中的应用主要有四方面:(1)托盘由于蜂窝纸板有较高的平面抗压强度,所以蜂窝纸板可以用于托盘的上下铺板,也可以用作托盘的纵梁或垫块,这就要按纵梁或垫块的标准尺寸由几层较厚的蜂窝纸板组合加工而成。由于蜂窝托盘脚是由蜂窝纸板粘贴而成的,脚的承载面积要比托盘的面积小的多,所以降低了蜂窝托盘的承载能力。为了提高蜂窝托盘的承载能力,可在蜂窝纸芯中浸渍树脂或采用木块与母板通过螺栓联结。蜂窝纸板托盘与木制托盘相比,重量轻,也有较高的强度。目前,我国在港口、码头、仓库等所使用的托盘多为木材制品,年需求量很大。若
6、能够使用蜂窝纸板托盘,每年可以节约百分之九十的木材,而且使用这种蜂窝纸板托盘,可以降低运输搬运费用,并可以回收再利用6。(2)缓冲衬垫缓冲衬垫作为内装货物和包装箱的中间介质,主要作用是吸收冲击能量,延长内装货物承受冲击脉冲的作用时间。蜂窝纸板的蜂窝夹芯结构使其缓冲性能优于瓦楞纸板,可采用全面缓冲或局部缓冲的形式来保护内装货物。用蜂窝纸板制成的缓冲衬垫具有较强的缓冲性能,用于仓储和运输工具中的堆积货物之间,可以承受每立方米20吨的重量。用蜂窝纸板制成的缓冲垫可以代替常用的聚苯乙烯泡沫塑料缓冲垫,从而有利于保护环境、防止污染。蜂窝纸板作为缓冲衬垫的主要形式有:单面蜂窝纸板、冲压和冲孔。单面蜂窝纸板
7、只在一面粘贴面纸,另一面无面纸。作为缓冲衬垫时有面纸的一面与外包装内壁粘合,无面纸面与产品接触。这种形式主要用作贵重的玻璃、陶瓷等产品的包装;冲压是将蜂窝纸板按产品的外形冲压后,将产品放入冲压槽内的缓冲包装形式;冲孔是将蜂窝纸板按产品的外形,用模具冲出孔洞,而后与蜂窝底板粘合,其底部没有受压,所以缓冲性能优于冲压性能。(3)包装箱蜂窝纸板同瓦楞纸板一样可加工成纸箱,一般只能用较薄的蜂窝纸板来做纸箱。用蜂窝纸板制成包装箱,是易碎、怕振、怕压物品的理想包装,特别对玻璃、陶瓷制品的包装具有明显的效果7。由于蜂窝纸板的刚度、厚度大,所以蜂窝纸箱从成型形式上来看主要有粘贴成型、折叠成型、铆接成型、插入成
8、型。粘贴成型是由多块蜂窝纸板面边粘贴成型后,在棱边内外粘贴牛皮纸固定而成型的,这种蜂窝纸箱主要是手工成型,粘合强度不高,易脱底,适合于电子仪表等较轻的产品包装;折叠成型是蜂窝纸板经裁切、压痕、施胶、折叠、干燥成型为箱体,箱底和箱盖由胶带缝合而成蜂窝纸箱的成型方式,这种纸箱棱边的粘合面积大、强度高,适合重量大的产品包装;铆接成型是使用角铁在蜂窝纸板棱结合处、或铁皮在接缝处通过螺栓将蜂窝纸板连接成型的一种成型方式,该种纸箱具有极强的抗压强度,适用于大型出口设备的包装;插入成型是将蜂窝纸箱相连的面分别裁切成榫头和榫孔后,胶合而成;与瓦楞纸复合型,若以瓦楞纸箱作为箱体,箱内上下四壁用蜂窝纸板做衬垫,可
9、以提高包装箱的防震、抗压、保湿、抗戳穿能力和承载能力。(4)角撑、护棱等附件蜂窝纸板作为局部缓冲包装的角撑、护棱、隔衬、夹衬和挡板的作用与缓冲衬垫类似,只是作用部位不同而已。角撑和护棱用在单元包装之间,可以保护单元包装外楞不受损坏。同时可防止单元与单元之间、单元与运输工具之间的碰撞与摩擦损坏。而隔衬、夹衬和挡板主要是防止运输工具或托盘对产品集合单元的损坏8。1.3 本文的主要工作在产品的装卸、运输、存储过程中,产品受到振动和冲击载荷的作用具有相当的普遍性,因包装不善所造成的经济损失也很严重,隔振缓冲是现代运输包装领域所必需解决的一个重要问题。目前,常用泡沫塑料、蜂窝纸板和纸浆模塑等作为隔振缓冲
10、的包装材料使用,性能较好的泡沫塑料材料受到绿色环保的限制,使用的范围有逐渐缩小的趋势,而我们对蜂窝纸板和纸浆模塑材料的力学特性了解甚少,有必要研究蜂窝纸板和纸浆模塑材料的隔振缓冲效果。因此,我们选取蜂窝纸板产品作为隔振缓冲包装的研究对象,分析其在装卸和运输过程中的流通环境和隔振缓冲要求,研究蜂窝纸板的应力-应变曲线受压缩速度的影响,提出建立蜂窝纸板的力学模型,认识蜂窝纸板材料的应力-应变曲线离散分布,进而,通过现有蜂窝纸板材料的测量,研究蜂窝纸板材料作为隔振缓冲材料使用的最佳纸板厚度和蜂窝结构,预测材料的隔振缓冲性能。通过实验获得必要的测试数据,为今后的产品的运输包装设计提供必要的数据,利于正
11、确地设计产品的运输包装结构,减少包装材料的利用量,从而达到降低成本和保护环境的目的。这对隔振缓冲包装的设计和工程实用具有现实的意义,这也是隔振缓冲包装设计和运输包装领域的重要研究所在。本文的主要工作:(1)查阅相关课题研究文献和各项实验标准,总结蜂窝纸板缓冲性能的研究方法。设计本课题需要的实验内容,准备实验设备及试样,为实验工作做好准备。(2)制取蜂窝纸板测试实验的试样,分别对其进行不同速度下的动静态压缩实验,获得有效的实验数据;分析和整理实验结果,研究压缩变形速度对蜂窝纸板性能的影响,得出蜂窝纸板的隔振缓冲性能。(3)建立蜂窝纸板的本构关系的动态模型,进行蜂窝纸板的动态模型的参数识别,分析动
12、态模型参数与实验数据的吻合程度。(4)利用蜂窝纸板的结构和性能特点,根据它的缓冲性能设计和优化蜂窝纸板的包装结构。2蜂窝纸板的结构及其主要特点2.1 蜂窝纸板的结构和加工工艺2.1.1 蜂窝纸板的结构蜂窝纸板是具有规范夹层结构的纸基板材。蜂窝纸板由芯纸和面纸构成,芯纸由多层纸按照一定的规律粘贴之后拉伸而成,主要承受剪应力;面纸有上下两层,由相同材质、相同厚度的板材构成,主要承受弯矩和扭矩。蜂窝纸板上、下两层为面纸(或纸板),中间为自然蜂窝状的芯纸,用一定的胶粘剂将芯纸粘合在两层面纸之间,形成3层状结构。蜂窝纸板失效的主要形式是压溃,致使失去刚性,而蜂窝纸箱的抗压强度则直接与蜂窝纸板的侧压强度有
13、关。影响蜂窝纸板承受侧压载荷的主要因素有:蜂窝纸板的蜂窝孔内径、面纸与芯纸的厚度、粘接强度9。蜂窝纸板所用蜂窝夹芯根据平面投影可为正六边形、矩形、有加强带的六角形、正弦曲线形等,如图2-1所示10。在诸多形状中,有加强带的六角形蜂窝的强度最高,其次是正六边形蜂窝。 (a) 正六边形 (b) 菱形 (c) 矩形 (d) 正弦曲线形 (e) 加强带六角形图2-1 蜂窝芯的形状 (a) (b) (c)图2-2 不同孔径比蜂窝 孔径比,图2-2a为拉满时的正六边形蜂窝,;图2-2b为欠拉伸蜂窝,;图2-2c为过拉伸蜂窝,。蜂窝纸板的厚度变化主要靠增加或减少蜂窝芯纸的厚度来实现11。蜂窝纸板的面纸厚度、
14、蜂窝芯纸的厚度、蜂窝芯柱的高度和芯柱孔的内径,都可以根据纸板的不同用途而决定12。2.1.2 蜂窝纸板的加工工艺目前,蜂窝纸板的加工工艺主要有拉伸法和直接成型法两种。(1)拉伸法(间接成形法)工艺流程拉伸成型工艺分为横向涂胶和纵向涂胶两种方式。以横向涂胶为例其基本工艺过程是:首先在芯纸上涂胶,并将已涂胶的纸带按适当长度切断,再将它们交错层叠,得到具有一定厚度、粘接为一体的芯纸板坯,然后根据待生产的蜂窝纸板厚度,从芯纸板坯上裁切下一定宽度的芯条,将芯条对接成芯板,对芯板进行拉伸获得蜂窝芯板,最后将面纸或其他材料与之复合成为蜂窝纸板。从加工工艺路线可以看出,蜂窝纸板的生产属于劳动密集型的产业,我国
15、的劳动力资源丰富,劳动力成本低,是适合我国目前的基本国情的,便于在我国推广使用。不过这种加工工艺,由于在加工过程中原纸没有经过特殊处理,在拉伸时蜂窝纸芯的六边形取决于施胶的宽度、胶水的粘接力和纸的基本力学、物理性能等多种因素。由于以上种种因素在加工过程中无法精确控制,造成在拉伸过程中出现局部拉伸不足和拉伸过量,导致蜂窝纸芯的形状不够规则,影响产品质量的稳定性,这在一定程度上限制了蜂窝纸板的应用领域和应用范围13。(2)直接成形法工艺流程首先根据需要生产蜂窝纸板的厚度、宽度、长度,将芯纸纸带分切为具有适当宽度和长度的芯纸条,其宽度与蜂窝纸板的厚度相对应,而长度与纸板的宽度或长度相对应,之后利用模
16、具将平直的芯纸条压制成由多个半六边形构成的“锯齿状”芯纸条,如图2-3所示。图2-3 纸芯为了保持压制出的半六边形形状,还必须对成型的芯纸条进行高温定型和固化处理,然后根据待加工蜂窝纸板的宽度或长度要求,将若干个经过固化处理的“锯齿状”芯纸条依次排列和粘接在一起,使相邻的芯纸条上的半六边形合成完整的六边形构成蜂窝状纸芯,就可以获得形状规则的蜂窝纸板。最后将面纸或其它材料复合在蜂窝芯纸的两侧便可以制造出需要的蜂窝纸板。直接成形法与间接成形法相比较,它的优点是:1)能够加工出比较规则的蜂窝,蜂窝纸芯的形状是十分规则的正六边形;2)施胶均匀性好,整个纸板的力学性能均匀性也好,力学性能优于间接成型法加
17、工出来的蜂窝纸板;但它的缺点也很明显,那就是它的加工工艺对设备和生产条件均有较高的要求,这就导致成本的上升,不利于产品的推广使用,目前国内使用的还比较少,国际上也很少有采用这一加工工艺的厂家。而对于间接成形法来说,虽然加工出的蜂窝纸板纸芯的形状没有直接成形法加工出来的蜂窝纸板纸芯的形状规则,施胶均匀性也没有直接成形法的施胶均匀性好,其力学性能虽然不如直接成形法加工出的蜂窝纸板,但由于这种方法对加工工艺和加工设备的要求相对较低,生产成本也就比较低,从而使得它拥有价格上的优势,所以这种加工方法是我国目前主要的蜂窝纸板生产方法。2.2蜂窝纸板的主要特点蜂窝复合材料是人类受自然界蜜蜂用最少的蜂蜡筑起最
18、稳定、容积最大的六角形蜂巢的启迪,创造性地开发出的仿生材料,因此也同样具有以最少的材料获得最大的容积和最大的强度的特点。根据仿生学,蜂窝纸板还具有强度高、弹性大的特点,同时,它的抗压、防震、防潮、隔热性能都很突出14。其主要特点如下:(1) 蜂窝拉伸成型时,只有1%10%的蜂窝材料,其余皆为空气,因而节约了大量材料,降低了蜂窝纸板的成本。(2) 蜂窝纸板可全部由再生纸制作,并且使用后可百分之百回收利用,是真正意义上的绿色包装材料15。(3) 单独的蜂窝类似于一面受压力,另一面受拉力作用的工字梁结构,蜂窝纸板可看作一系列连续的工字梁所构成的网状结构,它可以承担来自各个方向的作用力。独特的结构使其
19、具有很大的强度/重量比和极佳的性能/价格比。蜂窝纸板最大的优点是它的强度重量比大,重量轻而强度和刚度大是蜂窝纸板成功的关键。它的密度可以小到0.024g/cm3,比水轻40多倍16;(4) 蜂窝纸板的抗压强度是一定的,当外力超过这一值时,蜂窝芯被压缩,形成很好的缓冲层,具有较好的韧性和回弹性,并可大量吸收外部的动能,能有效地抗冲击。只要将纸板的厚度加大,就可以吸收极大的冲击能。(5) 由于蜂窝纸在裁切时的公差非常小,一般小于0.2mm,因而成品的蜂窝纸板有非常好的平整性。又由于纸的空间方向、植物纤维和其他成分分布不同、排列不同、取向不同,导致蜂窝纸板的性质具有显著的各向异性,结构稳定性非常好,
20、因而蜂窝纸品不易变形。(6) 蜂窝板的芯层被分割成互不连通的封闭小室,形成大量的封闭空间,空气的运动因此被严格的限制在小室中,阻止了热量和声波的传播,所以拥有很好的隔音、保湿性能17。(7) 蜂窝纸板是全纸质材料,易于通过特殊工艺处理而获得防水、防潮、阻燃防火、防霉、固化等特殊性能。(8) 蜂窝纸板易于切削、钻孔,可以加工成各种所需的形状和尺寸,同时,它与其他结构材料有很好的相容性,适合用作缓冲衬垫18。(9) 由于蜂窝纸板的特殊构造,使得蜂窝纸板具有多相性,包括固相、液相及气相。固相成分包括植物纤维、胶料、填料及燃料等,是决定蜂窝纸板力学性能的主要因素;液相成分包括水分,气相成分主要是空气,
21、含量较小,液相和气相的存在使得蜂窝纸板的力学性能更为复杂多变。蜂窝纸板的力学性质主要由固相来决定,液相和气相成分的存在是的蜂窝纸板的力学性能更为复杂、多变。2.3 蜂窝纸板与其他缓冲材料性能的比较2.3.1 蜂窝纸板与瓦楞纸板由于蜂窝纸板与瓦楞纸板的原材料均是纸板,所以两者在性能上更具有可比性。(1)重量上:蜂窝纸板具有重量轻的优点。用1m2、5mm厚的五层瓦楞纸板材料,可生产10mm厚的蜂窝纸板1.44 m2,其重量仅是同面积瓦楞纸板的70%。用于建筑则减少承重。(2)强度上:蜂窝纸板因其独特的结构,具有较强的抗压、抗折能力。10mm厚的蜂窝纸板的抗压强度是瓦楞纸板的275.6倍,抗折强度是
22、五层瓦楞纸板横向强度的2倍,是纵向强度的29.2倍。与蜂窝纸板相比,瓦楞纸板纸质较软,棱形受冲击易变形,内装产品的破损率较高。(3)成本上:蜂窝纸板比瓦楞纸板用材少,同时可采用廉价的再生纸、草浆纸生产。原料成本仅为同规格瓦楞纸板的2/3。而且,蜂窝纸板越厚,其节省材料的优势就越突出。另外,用蜂窝纸板制作的纸箱在运输中的破损率比瓦楞纸箱减少2025倍,大幅度降低了运输包装费用。2.3.2 蜂窝纸板与EPS缓冲材料与EPS缓冲材料相比,蜂窝纸板是蜂窝芯状结构,疏密程度不同,其弹性变化范围很大,优异的缓冲隔振性能,接近EPS,但不污染环境。蜂窝纸板易于回收,再生率高。污染小,有利于环境保护。机电产品
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