本科毕业论文：蜂窝纸板的缓冲性能分析及结构设计

蜂窝纸板的缓冲性能分析及结构设计

包装工程05-2班王腾飞指导教师：李连进

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