濕度和應(yīng)變率對紙質(zhì)緩沖材料能量吸收特性的影響.pdf

1、蜂窩紙板和多層瓦楞紙板是常用的紙質(zhì)緩沖吸能材料。面外壓縮載荷作用下的蜂窩紙板和平壓載荷作用下的多層瓦楞紙板，其載荷-位移曲線上均出現(xiàn)一段較長的應(yīng)力平臺，結(jié)構(gòu)在近乎恒定的載荷下持續(xù)穩(wěn)定的變形，耗散大量的沖擊能量，從而能在跌落沖擊等突發(fā)事故中保護產(chǎn)品。蜂窩紙板和多層瓦楞紙板的緩沖吸能特性除受到原紙材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)相對密度的影響外，還與環(huán)境相對濕度及加載速率等因素有關(guān)。研究這兩種材料在不同相對濕度下的能量吸收特性及其應(yīng)變率效應(yīng)已成為該領(lǐng)域的

2、研究熱點，因此也是本文的研究重點。本文采用實驗研究與理論分析相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了兩類紙質(zhì)結(jié)構(gòu)型材料在不同濕度環(huán)境和不同初始應(yīng)變率下的能量吸收性能、吸能機理及應(yīng)變率效應(yīng)，并將兩種材料的能量吸收性能進行了比較。
　　 對蜂窩紙板和多層瓦楞紙板在不同環(huán)境濕度和不同初始應(yīng)變率下的壓縮特性進行了廣泛的試驗研究。選取了3種典型蜂窩紙板和8種常用瓦楞紙板多層結(jié)構(gòu)，分別在6組環(huán)境濕度條件(溫度23℃，相對濕度分別為40％，50％，65％，7

3、5％，85％和95％)和6組初始應(yīng)變率條件(8.3×10-4，5.0×10-3，3.3×10-2，6.1×101，8.6×101和1.1×102s-1)下進行壓縮試驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)了這兩種紙質(zhì)能量吸收結(jié)構(gòu)緩沖吸能特性隨相對濕度和初始應(yīng)變率的變化規(guī)律：在實驗所涉及的環(huán)境濕度和初始應(yīng)變率條件下，蜂窩紙板和多層瓦楞紙板的平臺應(yīng)力與單位體積吸收能量均隨厚跨比（蜂窩胞壁厚度與胞元邊長之比t/l；瓦楞胞壁厚度與瓦楞跨度之比tc/λ）的

4、減小而減?。环涓C紙板的平臺應(yīng)力和能量吸收能力在相對濕度大于75％時隨相對濕度的增加而顯著下降，低于75％時則對相對濕度的變化不敏感；而多層瓦楞紙板的平臺應(yīng)力和能量吸收性能隨相對濕度的增加持續(xù)小幅減少；蜂窩紙板和多層瓦楞紙板在中等應(yīng)變率作用下的平臺應(yīng)力和單位體積吸收能量較之準靜態(tài)壓縮均有較大提高，表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率效應(yīng)。所有這些試驗研究都是深入分析結(jié)構(gòu)能量吸收機制、構(gòu)建能量吸收模型的基礎(chǔ)。
　　 建立了能夠預(yù)測蜂窩紙板在不同環(huán)境濕

5、度下平臺應(yīng)力的理論模型。該模型是以蜂窩胞壁厚跨比、胞壁材料在標準測試環(huán)境下(溫度23℃，相對濕度50％)的屈服強度以及環(huán)境相對濕度為控制參量的簡單函數(shù)；實驗研究了不同厚跨比蜂窩紙板在不同濕度下的軸向壓縮特性和平臺應(yīng)力，并將平臺應(yīng)力實驗值與模型預(yù)測值進行比較。實驗值與預(yù)測值良好的一致性驗證了本模型的準確性。該模型可用于預(yù)測蜂窩紙板在實際物流環(huán)境條件下的平臺應(yīng)力。
　　 建立了多層瓦楞紙板首層壓潰應(yīng)力理論預(yù)測方程，該方程是以瓦楞厚跨

6、比和瓦楞芯紙屈服強度為控制參量的簡單函數(shù)；將該模型與次屈服模量-瓦楞跨度經(jīng)驗公式相結(jié)合，得到多層瓦楞紙板應(yīng)力平臺曲線預(yù)測方程。在此基礎(chǔ)上，考慮環(huán)境濕度對瓦楞芯紙屈服強度的影響，建立能夠預(yù)測多層瓦楞紙板在不同環(huán)境濕度下應(yīng)力平臺曲線的理論模型。
　　 對蜂窩紙板和多層瓦楞紙板的材料力學(xué)行為進行簡化，基于簡化材料模型對兩種材料的能量吸收能力進行分段建模，考慮相對濕度對蜂窩紙板和多層瓦楞紙板能量吸收能力的影響，建立了能夠預(yù)測不同濕度下兩

7、種材料能量吸收過程的理論模型。每一階段的吸能模型都是厚跨比、標準測試環(huán)境下胞壁材料屈服強度及環(huán)境濕度的簡單函數(shù)。由該模型可得到蜂窩紙板和多層瓦楞紙板在不同濕度環(huán)境下的能量吸收曲線和最佳吸能點。模型化能量吸收曲線與實驗曲線進行對比，兩者良好的一致性驗證了本文建立的吸能模型的準確性。該模型可用于蜂窩紙板和多層瓦楞紙板能量吸收結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
　　 考慮由于蜂窩胞元內(nèi)部封閉的大量氣體在受到劇烈壓縮時產(chǎn)生的回復(fù)力對動態(tài)加載時蜂窩紙板平臺

8、應(yīng)力的貢獻，建立了蜂窩紙板動態(tài)平臺應(yīng)力預(yù)測模型。蜂窩紙板的動態(tài)平臺應(yīng)力是蜂窩胞元厚跨比及應(yīng)變的函數(shù)，并隨著應(yīng)變的增加而增加。
　　 蜂窩紙板和多層瓦楞紙板具有可設(shè)計性強的優(yōu)點，可以根據(jù)實際的物流環(huán)境和沖擊工況選擇最佳的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和材質(zhì)。能量吸收圖為這種優(yōu)化選擇提供了系統(tǒng)有效的設(shè)計方法。本文基于大量的試驗，繪制了蜂窩紙板和多層瓦楞紙板在不同濕度環(huán)境恒定壓縮速率條件下的能量吸收圖和恒定溫濕度環(huán)境不同初始應(yīng)變率條件下的動態(tài)能量吸收圖。所