蜂窝纸板的减震特性和振动传递率研究

蜂窝纸板的减震特性和振动传递率

郭彦峰1，2，张景绘1

（1.西安交通大学，西安710049；2.西安科技大学，西安710048）摘要：蜂窝纸板是一种具有蜂窝夹层结构的环保包装缓冲材料，可在储运中保护产品免受冲击或振动损坏。本文研究了蜂窝纸板在运输防护包装中应用的性能表征，如动态缓冲曲线和振动传递率等。本文主要通过一系列在跌落冲击试验机和振动实验，评价了不同厚度的蜂窝纸板的减震特性和振动传递率。通过多项式拟合曲线，已获得不同厚度的蜂窝纸板动态缓冲曲线的经验公式和特性系数。通过慢正弦扫频振动试验，测量了峰值频率和振动传递率，并用来估计其阻尼比。所有的这些成果都为蜂窝纸板在运输防护包装中的推广应用提供了基本数据。

关键词：蜂窝纸板；减震特性；振动传递率

1.引言

蜂窝夹芯结构通常有两层薄的面纸和一层厚的但轻巧的拥有高强度重量比

和刚度重量比的芯纸[6]。20世纪40年代初以来，铝制蜂窝夹层结构已在航空业中广泛使用。除了铝合金材料，现在有各种各样的可制作蜂窝结构材料，如泡沫塑料、纸和“Nomex”蜂窝[12]等。

在运输包装领域，瓦楞纸板和蜂窝纸板是两种环保的具有夹层结构的包装缓冲材料。瓦楞纸板是一种在运输包装中常用的代替泡沫塑料的材料，主要是因为Sek和Kirkpatrick等人[ 5,9,10 ]已经对其环境影响和其抗压强度、减震特性和振动传递率进行了研究。

蜂窝纸板是一种蜂窝夹层结构的纸板。它是由牛皮箱纸板纸，可重复使用的芯纸和水性胶制成的。因为这些材料是可回收的，可重复利用的和可生物降解的，蜂窝纸板具有比泡沫塑料更经济和环保的优势。蜂窝夹层结构还具有重量轻，高强度重量比和刚度重量比的特点。因此，使用蜂窝纸板作为防护包装的结构元素有越来越大的前景，像包括精密设备和仪器仪表、家用电器和易碎品的防护包装等。在参考文献[4]中，作者对不同厚度的蜂窝纸板的抗压强度进行了研究。但是瓦楞纸板缺乏蜂窝纸板的动态缓冲曲线和振动传递率的特性，阻碍了其在运输包装和代替泡沫塑料中的应用。因此，这项研究的目的如下：首先，研究一次性跌落冲击的减震特性、目前的经验公式和不同厚度的蜂窝纸板动态缓冲曲线特征系数。其次，分析不同厚度的蜂窝纸板的振动传递率，峰值频率和阻尼比。

图1.蜂窝纸板

(a) （b）

1.重物

2.冲击台

3.导柱

4.试样

5.固定装置

6.质量块

图2.试样的安装与固定

2. 试样和试验方法

试验材料为不同厚度的蜂窝纸板（参见图1 ），其厚度分别为20mm、30mm、40mm和50mm。面纸为相同的材料、厚度和密度，并且纸芯是正六边形的单元，其面纸的厚度要远小于蜂窝纸芯的厚度。蜂窝纸板的面纸是300g/m2的牛皮箱板纸，芯纸是110g/m2的可再生纸。在试验之前，所有的试样都在温度21°C和相对湿度64％的环境中进行24小时的预处理。

缓冲包装材料的减震特性通常是表现为一条动态缓冲曲线族。一条动态缓冲曲线族是在对试样施加一系列的静态载荷的冲击并设置多个跌落高度时显示出的峰值加速度G m。而峰值加速度G m是峰值加速度与重力加速度g的比值。在ASTM D- 1596标准[1]中描述了确定缓冲包装材料减震特性的最全面的方法。蜂窝纸板试样的支架和固定装置如图2(a)。跌落冲击试验机有一个冲击台（代表一个被包装物）和一个用动态加载试样来模拟野蛮装卸影响的冲击台面。变换装置安装在冲击台上，并且信号通过传感器送入到适当的记录系统中。显示系统应该校准好去读取峰值加速度。重物安放在冲击台上，重物的重量和冲击台的跌落高度都是可调节的。缓冲包装材料的振动传递率通常被描述为不同静态压力下振动

传递率T r 和峰值频率f r 的关系式。振动传递率Tr 是包装系统响应稳态强迫振动的加速度幅值与激励加速度幅值的比值。在ASTM D- 4168标准[2]中描述了确定缓冲包装材料的振动传递率的最全面的方法。测试仪器包括振动试验机和安装在振动试验台上代替被包装物的的重物和固定装置。试样的支架和固定装置如图2(b)。通过改变重物的重量，可以调节加载在试样上的静态压力。在重物和振动平台上的传感器将信号送入适当的记录系统中。

3.蜂窝纸板的减震特性

在这部分，不同厚度的蜂窝纸板的减震特性是通过在跌落试验机的测试来研究的，而且动态缓冲曲线的经验公式和特征系数是通过多项式拟合曲线获得的。

3.1.减震特性的描述

在图2(a)中，从一定跌落高度跌落的重物和冲击台跌落在蜂窝纸板的试样

上，其动能通过试样的压缩被完全储存下来（忽略其他能量如热能损失）。当试样达到最大变形量X m （或应变εm ），将产生最大应力σm 和峰值加速度G m 。根据能量守恒定律，重物和冲击台的动能应等于试样的形变能量[8]。

AT σd ε = W(h + xm)εm

(1) 其中W 代表冲击台和重物的重量， h 是跌落高度，σ是试样的应力， T

为试样的厚度， A 是试样和冲击台之间的接触面积。在一般情况下，h ≫x m .所以公式（1）可简化为：

AT σd ε = Wh εm 0

(2) 由参考文献[8] ，下面的表达式的简式为[8]： σm = G m σs (3) 其中σs 的是试样的静态应力。

σs=W A (4) 将公式(3)和(4)代入公式(2)中，试样厚度、跌落高度和峰值加速度之间的关系可表示为：

T =C h Gm (5)

其中，C =σm σd ε εm 0 (6)

图3. 蜂窝纸板的冲击加速度 - 时间曲线(T= 40mm,DH= 60cm).

表1

蜂窝纸板的动态缓冲曲线特征系数

T/mm DH/cm a0, a1, a2, a3

20 40 259.67,−1326, 2477.2,−1354 20 40

60 386.76,−2450.4, 5575.4,−3529.7 60

30 40 220.87,−842.79, 997.82,−328.44 30 40

60 264.49,−995.3, 1221.2,−407.37 60

90 361.21,−2215.1, 4946.3,−2981.3 90

40 40 199.69,−626.51, 633.03,−184.79 40 40

60 300.54,−1395.7, 2119,−954.35 60

90 343.58,−1786.9, 3127.5,−1530.7 90

50 40 194.65,−577.88, 556.94,−157.87 50 40

60 315.3,−1578.5, 2523.7,−1200.4 60

90 300.82,−1568.1, 2648.6,−1232.590

已知缓冲系数C 是由峰值加速度G m 和静态压力σs 决定的。因此动态缓冲曲线（或G m -σs 曲线）直接表明了在一系列静态载荷范围和跌落高度影响下G m 和σs 的关系。动态缓冲曲线族可以描述缓冲包装材料在多个跌落高度下的减震特性。G m -σs 曲线的形状也表明了缓冲包装材料对隔离冲击的效率。曲线波动越小，则材料的防护性越好。动态缓冲曲线已被证明是描述缓冲包装材料减震特性的最可靠的依据，并且可以根据ASTM-1596[1]中描述的实验过程获得动态压缩测试的数据。

3.2．动态缓冲曲线的经验公式和特征系数