組合蜂窩紙板緩沖性能的靜態(tài)試驗研究

朱若燕,尹 琪,李厚民

(湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430068)

蜂窩紙板由紙芯上下表面粘貼面紙而成,紙芯采用的是六邊形蜂窩結(jié)構(gòu),故而為蜂窩紙板(圖1).

圖1 蜂窩紙板結(jié)構(gòu)示意圖

蜂窩紙板作為紙質(zhì)的包裝材料在生產(chǎn)加工、使用以及最后的回收利用過程中均不會帶來環(huán)境污染問題,而且具有成本低,強度高,優(yōu)良的承載能力和緩沖性能,是比較理想的運輸包裝材料,引發(fā)國內(nèi)外很多學者對其各方面性能的研究[1,2].

國內(nèi)關(guān)于蜂窩紙板緩沖性能的研究集中于從材料入手研究其靜態(tài)、動態(tài)緩沖性能[3,4],或者是與其他材料組合而成的組合件的測試及分析,從結(jié)構(gòu)組合方面入手考慮其緩沖性能的并不多見.本文主要考慮不同面積蜂窩紙板的疊置形式,通過靜態(tài)的壓縮試驗研究其面積的變化對其緩沖性能的影響.

1 試驗方案與方法

試驗擬采用上下板按照對中方式疊合放置,如圖2所示.靜態(tài)壓縮采用國標[5]規(guī)定的A法進行試驗.試驗設備采用SANS HWT-5105100 kN微機控制電子萬能材料試驗機.

材料為武漢荷力勝蜂窩材料有限公司提供的蜂窩紙板,紙芯定量為105 g/cm3,面紙是定量為175 g/cm3的C級再生紙,厚度均為35 mm.

為了充分研究組合板結(jié)構(gòu)的緩沖性能和面積參數(shù)對緩沖性能的影響,試驗方案如下:

1)組合板與單板性能對比試驗.上板70 mm×70 mm×35 mm(規(guī)格為長 ×寬×厚,下同);下板100 mm×100 mm×35 mm.對比組合板和單板的靜態(tài)緩沖性能.

2)組合板其中一個板面積變化對比試驗.小板均為70 mm×70 mm×35 mm,對比5組不同的大板面積(表1)進行壓縮試驗,分析下板尺寸的變化對應力-應變曲線和緩沖系數(shù)的影響.

表1 不同大板規(guī)格

圖2 疊置組合蜂窩紙板布置、加載示意圖

2 數(shù)據(jù)分析

由壓力試驗機記錄儀記錄下來的曲線為壓力、形變數(shù)值,通過求出各次試驗中的5組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值,由式(1),(2)計算應力、應變值:

式中:σ為試樣承受的靜應力;F為壓力;A為面積;ε為試樣的應變;x為變形量;t為組合試樣總厚度.利用MATLAB即可繪出應力-應變曲線,再借助于應力-應變曲線,由

得到緩沖系數(shù)C后,最后通過Matlab繪出緩沖系數(shù)—最大靜應力曲線.

2.1 組合板與單板緩沖性能對比

對于組合板,為了統(tǒng)一計算應力,均取為面積較大的板(以下簡稱大板)的面積,在后面的所有試驗數(shù)據(jù)里也采取同樣的處理方法.

首先對于方案1組合板以及單板進行壓縮試驗,得出其力-位移曲線如圖3所示.

圖3 組合板靜態(tài)壓縮的力-位移曲線

由圖3可知,在組合的蜂窩紙板壓縮過程中,兩板厚度一致,由于小板面積較小,應力大于大板,所以總是小板先屈服直至壓潰,因而組合板的前面階段與單板壓縮相似:首先在彈性階段迅速上升至一個峰值,然后迅速下降至一個平臺區(qū),觀察位移至35 mm(單板厚度)處組合板曲線可知,這時大板漸漸進入屈服階段,因而進入第二峰值.

圖4 組合板靜態(tài)壓縮的緩沖系數(shù)-應力曲線

借由力位移數(shù)據(jù)可以計算應力-應變關(guān)系,繼而可以計算出各個應力值對應的緩沖系數(shù)(圖4).

由圖4可以看出組合板的緩沖系數(shù)曲線在單板的曲線的左側(cè),所以在相同緩沖系數(shù)下,組合板較適合在較低的應力區(qū)工作.而在應力較大的區(qū)域曲線基本重合.總的來說,經(jīng)組合后,蜂窩紙板的緩沖性能向低應力區(qū)方向移動了,從而拓展了蜂窩紙板的工作范圍.

2.2 不同承載面積對組合板緩沖性能的影響

在不同下板的組合試驗中,小板面積統(tǒng)一為70 mm×70 mm,而大板的面積依次增大(面積規(guī)格見表1).圖4為不同面積組合板的緩沖系數(shù)-應力圖,可以看出,對應在同一適當?shù)木彌_系數(shù)值上,隨著面積的增大,組合襯墊的工作應力值減小,而更大程度上拓展了組合板工作的應力范圍,這為實際的組合蜂窩紙板在包裝設計中提供了可行的依據(jù),對于不同的產(chǎn)品可以選用合適的承載面積來組合以達到較好的緩沖性能.

圖5 不同面積的組合蜂窩紙板緩沖系數(shù)曲線

3 結(jié)論

在不同面積上下板組合的蜂窩紙板,其應力-應變關(guān)系以及緩沖性能會發(fā)生變化.

1)組合蜂窩紙板的壓縮過程中,其應力應變曲線的也分為線彈性區(qū)域和平臺區(qū)域,所不同的是在小板密實化了之后會壓縮大板,開始出現(xiàn)第二個峰值.這是兩層板依次破壞的結(jié)果.

2)經(jīng)過疊置組合的板的緩沖系數(shù)-應力曲線相對單板的緩沖曲線左移,即組合結(jié)構(gòu)改善了紙板低應力區(qū)的緩沖性能,這樣間接拓展了蜂窩紙板的工作范圍.

3)增大組合板中大板的面積會給組合板不同應力區(qū)的緩沖性能帶來改善,更大程度上拓展了組合板工作的應力范圍,這為實際的組合蜂窩紙板在包裝設計中提供了可行的依據(jù),對于不同的產(chǎn)品可以選用合適的承載面積來組合以達到較好的緩沖性能.

[1]郭彥峰,許文才,王 梅.蜂窩紙板緩沖性能的實驗研究[J].包裝工程,1999,20(2):12-15.

[2]Gibson L J.Ashby M.F Cellular solids:structure and Properties[M].Cambridge:CambridgeUniversity Press,1997.

[3]王冬梅,王志偉.紙質(zhì)結(jié)構(gòu)型包裝材料緩沖性能研究進展[J].材料導報,2007,21(6):43-46.

[4]李厚民,朱若燕,楊小俊.蜂窩紙板與瓦楞紙板組合結(jié)構(gòu)緩沖特性研究[J].包裝工程,2005,26(4):9-11.

[5]張安寧,童小燕,劉效云,等.多層疊加蜂窩紙板壓縮特性研究[J].包裝工程,2004,25(6):31-32.

[6]GB/T8168-2008.包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗方法[S].國家標準局.