用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖的繪製方法

2023-05-25 22:01:46

專利名稱：用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖的繪製方法
技術領域：
本發明屬於蜂窩紙板性能檢測應用領域，具體涉及一種用於一全測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖的繪製方法。
背景技術：
隨著人們對資源、環保、可持續性發展認識的加強，環保型產品越來越受到人們的青睞。蜂窩紙板作為一種無汙染、結構新穎、承重量大、成本低、彈性好且具有良好的緩衝性能的包裝材料受到包裝界的高度關注，並已順利應用於大型機電產品的包裝、家具、建築材料等領域。
目前因缺乏對蜂窩紙板緩衝性能的一種系統有效的檢測方法，使得在蜂窩紙板制緩衝襯墊的設計與選材時主要是靠蜂窩紙板提供商的經驗來完成，通過經驗完成的設計的準確性不高。
包裝用緩沖材料的設計與選擇主要分為兩部分， 一部分是在所有的候
選材料中，對於給定的用途，選擇出最佳的侯用材料；另一部分是如何對選定的材料的結構、密度和厚度等性能指標最優化選擇以達到包裝效率的最大化。傳統的緩沖材料表徵方法，如應力一-應變曲線，最大加速度一靜應力曲線等都只能代表一種特定的材料性能，如果進行優選，則需要試驗測出每種可能材料的緩沖特性，再從中進行優選。事實上，製作出每種可能的材料進行測試是不現實的，這需要耗費大量的人力物力。再有就是蜂窩紙板的緩衝性能受應變率影響較大，對於任何一種材料均需做其不同應變率下的緩衝性能試驗，這使傳統的應力一應變曲線和最大加速度一靜應力曲線在進行蜂窩紙板的優化設計與選材時遇到難題。儘管上述兩種曲線在進行蜂窩紙板優化設計時可以作為參考依據，但無法實現蜂窩原紙的優化選擇。

發明內容
為了解決現有技術問題中存在的對蜂窩板芯的結構設計與選材缺乏一種系統有效的方法，不能針對具體產品的緩沖包裝需求，給出優化蜂窩紙板結構及優化蜂窩紙板選材並提高單位成本材料的包裝效率這一技術問題，本發明提供了 一種用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖的繪製方法。
本發明解決現有技術問題所採用的技術方案為提供一種用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖的繪製方法,所述方法為:通過檢測儀檢測蜂
窩原紙的固體模量;根據靜態壓縮應力曲線得到所述蜂窩紙芯的靜態壓縮
吸能量,並用所述固體模量對所述蜂窩紙芯的吸能量進行標準化，得到標準
化單位體積吸能量和標準化應力之間的關係曲線，即能量吸收曲線;在低應變率下，將靜態壓縮所得到的蜂窩紙板的厚度和跨度的/麼澄所對應的能量
吸收曲線的肩點連接起來,得到呈近似線性的能量吸收曲線;在高應變率下，根據動態壓縮曲線經多項式擬合得到動態壓縮最大加速度靜應力曲線；在動態壓縮下，將蜂窩紙板的厚度和if爭度的^值所對應的能量吸收曲線的肩點連接起來,形成呈近似線性的能量吸收曲線；
將上述不同應變率下的能量吸收曲線進行匯總，得到用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖根據本發明的一優選實施例所述檢測儀為挺度儀,所述固體模量為￡s = 0.89GPa 。
根據本發明的一優選實施例:所述靜態緩沖性能為『=f;式
中e為材^f的壓縮應變、(T為材^l"的壓縮應力、『^對應於壓縮應變為ff時單位體積的變形能。
根據本發明的一優選實施例所述標準化單位體積吸能量和標準化應力之間的關係曲線採用了對數坐標的形式。
根據本發明的一優選實施例:在準靜態壓縮下，壓縮應變率可用下式估
算^=上;式中，A為壓縮應變率；v為壓縮位移變化率；r為紙蜂窩夾層r
板的厚度。
根據本發明的一優選實施例:緩沖材料的動態能量吸收可用下式表示『=°^ = ^^;式中，『為材料單位體積最大變形能；。m為壓縮最大靜應
力；^t為壓縮靜應力；Z/為沖擊高度；r為緩衝材料厚度；G為衝擊最大力口速度。
根據本發明的一優選實施例:在動態壓縮下，壓縮應變率可用下式估
算L;式中，v為沖擊最大速度，根據自由落體原理v^V^&一 。2//
本發明的有益效果為通過本發明所獲得的能量吸收圖用於紙質蜂窩板芯性能的檢測過程中可以快捷、準確實現對蜂窩紙板的結構優化設計優化選材，為不同條件下的蜂窩紙板的製作提供了準確的參考數據，並以
此實現了節能高效包裝。


圖1.用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖的繪製方法流程圖； 圖2.蜂窩紙芯結構示意圖； 圖3.靜態壓縮應力應變曲線；
圖4.對數標度的標準化能量吸收與標準化應力靜態壓縮實驗曲線； 圖5.動態壓縮最大加速度靜應力曲線；
圖6.對數標度的標準化能量吸收與標準化應力動態壓縮實驗曲線； 圖7.用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明
請參閱圖1用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖的繪製方法流程 圖，如圖1所示，本發明用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖的繪製方 法為:通過檢測儀檢測蜂窩原紙的固體模量;根據靜態壓縮應力曲線得到所 述蜂窩紙芯的靜態壓縮吸能量,並用所述固體模量對所述蜂窩紙芯的吸能 量進行標準化,得到標準化單位體積吸能量和標準化應力之間的關係曲線， 即能量吸收曲線;在低應變率下，將靜態壓縮所得到的蜂窩紙板的厚度和跨 度的^值所對應的能量吸收曲線的肩點連接起來,得到呈近似線性的能量 吸收曲線;在高應變率下，4艮據動態壓縮曲線經多項式擬合得到動態壓縮最 大加速度靜應力曲線;在動態壓縮下，將蜂窩紙板的厚度和跨度的^值所對 應的能量吸收曲線的肩點連接起來,形成呈近似線性的能量吸收曲線;將上 述不同應變率下的能量吸收曲線進行匯總，得到用於檢測紙質蜂窩板芯性 能的能量吸收圖。
圖2為蜂窩紙芯結構示意圖，圖中t為權利要求l中所述蜂窩紙板的 厚度，1為六角形紙蜂窩單層胞壁的邊長，即權利要求1中所述蜂窩紙板的 跨度。
目前很少有直接測量緩衝材料吸能量的實驗方法，只能通過靜態壓縮 應力應變曲線和動態壓縮最大加速度-靜應力曲線和能量守恆原理計算得 來。本專利中引入的實驗分為兩部分，靜態壓縮和動態沖擊實驗，實驗材 料均採用厚跨比不同的三種紙蜂窩材料350/150A/350-20 ， 350/150B/350-20, 350/150C/350-20 (三種紙蜂窩夾層板的面紙均為350g/n 牛卡紙，紙蜂窩芯胞壁材料為150g/n 蜂窩原紙，紙蜂窩芯為正六 角形，其孔徑類型分別為A、 C和D型，其胞壁邊長分別為5. 8mm， 12. lnim 和14. 4mm)。靜態壓縮實驗採用CMT萬能材料實驗機和恆溫恆溼箱，並參 照國標GB8168-87包裝用緩衝材料靜態壓縮試驗方法和ISO 2233-1986、 GB/T4857. 2-2005包裝溫溼度調節處理進行預處理，試樣大小為 100,*100mm,在溫度為23°C,相對溼度為50%,位移變化率為12mm/min 條件下完成；動態壓縮實驗採用Lansmont公司自由跌落實驗機和TP3加速 度傳感器，並參照國際標準ASTMD5169"2]和GB/T4857. 2-2005包裝溫溼度 調節處理進行環境預處理，用多種質量標定的法碼作為重塊，從50cm高度 分別沖擊試樣，試樣大小為15 0mm* 15 0mm，法碼的底面積大於15 0mm* 1 5 0mm， 試驗溫度為23。C,相對溼度為50%條件下完成。其中，紙蜂窩芯的固體模
量是用挺度儀測量後計算得來的，其固體模量為
￡s = 0.89GPa ( 1 )
實驗結果與分析
一 、靜態壓縮下不同厚跨比紙蜂窩夾層板最佳吸能曲線
材料的靜態緩衝性能可以由其靜態壓縮應力應變曲線得到。單位體積
的變形能可以描述為
『=|^￡ (2)
式中s為材料的壓縮應變、"為材料的壓縮應力、『對應於壓縮應變為c 時單位體積的變形能；靜態壓縮應力應變曲線如圖3所示，根據式(2)可 得紙蜂窩夾層板單位體積吸能量，為了標定紙蜂窩結構的性能，用紙蜂窩 的固體模量-式(1 )對其標準化可得標準化單位體積吸能量和標準化應力 之間的關係曲線，如圖4所示。為了使曲線比較起來更方便，圖4中採用 了對數坐標。在準靜態壓縮下，壓縮應變率可用下式估算
" (3)
r
式(3)中，4為壓縮應變率；v為壓縮位移變化率；r為紙蟲奪窩夾層板的 厚度。根據式(3),本實驗中紙蜂窩夾層板的壓縮應變率A為10々s。在相 同的應變率下，將不同？〃所對應的能量吸收曲線的肩點連接起來，形成的 最佳能量吸收曲線呈近似線性(如圖4中黑色的粗實線所示)，隨著紙蜂窩 胞元厚跨比f//的增大，最佳吸能點向右上方移動二、 動態壓縮下不同厚跨比紙蜂窩夾層板最佳吸能曲線 材料的動態緩沖性能通常由自由跌落實驗機測得的最大加速度靜應
力曲線來表徵。緩沖材料的動態能量吸收可用下式表示
formula see original document page 8( 4 )
式中，『-材料單位體積最大變形能； -壓縮最大靜應力； -壓縮靜應力； //-衝擊高度；r-緩沖材料厚度；G-衝擊最大加速度。動態壓縮曲線經多項 式擬合如圖5所示。所對應的方程分別如下
g， = 17.866(T、,2 -78.024j、， +143.83 350/150D/350-20
G=3.627(jst2 -34.926c7s, +151.01 350/150C/350-20
G= 1.9219 2 - 30.053 as, +172.58 350/150A/350-20 最大加速度靜應力曲線均呈內凹型，只存在一個極值點。當靜應力小 於最小極值點時的靜應力時，隨著靜應力的增大，材料吸能量增大，通過 材料傳遞的加速度降低；當靜應力超過最小極值點時的靜應力時，通過材 料傳遞的衝擊加速度增大，這是因為材料已徹底壓潰，在沖擊過程中出現 了"碰底"的現象，此時材料已經根本沒有緩衝能力。在動態壓縮下，壓縮 應變率可用下式估算
formula see original document page 8(5)
式中，v為沖擊最大速度，根據自由落體原理知
formula see original document page 8 ( 6 )
本實驗中，衝擊高度為//=0.5m,因此動態壓縮應變率為1.7*102/s。 在動態壓縮下，將不同f〃所對應的能量吸收曲線的肩點連接起來-如
圖6中黑色粗實線所示，形成的最佳能量吸收曲線也呈近似線性。隨著紙
蜂窩胞元厚跨比f//的增大，最佳吸能點向右上方移動。
三、 不同厚跨比紙蜂窩夾層板能量吸收圖
從上述靜動態壓縮實驗分析可知，在同一應變率下，隨著紙蜂窩厚跨 比/〃的增大，其承壓性能和單位體積吸能量都有所增加，且線性增加。因 此，在某一應變率下優化選材時，可以用插值法找到紙蜂窩的最佳厚跨比。 為了考查同一結構紙蜂窩在不同的加載應變率下的緩衝吸能特性，將上述 實驗的能量吸收圖進行匯聚，得到用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收 圖,如圖7所示。圖7示出了一族曲線，它說明隨應變率增大，紙蜂窩夾層板的承壓性能和單位體積最大吸能量都有所增加。圖7中各字母的含義如
下z力蜂窩原紙的厚度；/ ^六角形紙蜂窩單層胞壁的邊長；碎為蜂窩 紙板的壓縮應變率；『^蜂窩紙板壓縮過程中單位體積材料的最大吸能量； ￡s為蜂窩原紙的固體模量； / ￡s為用蜂窩原紙固體模量標定的蜂窩紙板 壓縮應力；『/￡s為用蜂窩原紙固體模量標定的蜂窩紙板單位體積變形能。 在同一應變率下，隨著紙蜂窩胞壁厚跨比f〃的增大，蜂窩紙板的承壓性能 和單位體積吸能量都所有增加，且線性增加。因此，在某一應變率下優化
選材時，可以用插值法找到紙蜂窩胞壁的最佳厚跨比。
本專利中的能量吸收圖用紙蜂窩材料的固體模量標準化，使不同材質 的蜂窩夾層材料可以集於同一圖上。而且在同一張能量吸收圖上包含了應 變率和紙蜂窩結構信息，且形成了應變率平行族線和紙蜂窩厚跨比平行族 線。藉助該能量吸收圖，利用插值法可以實現紙蜂窩厚跨比的優選，這有 利於紙蜂窩結構的優化設計和選材。
通過本發明所獲得的能量吸收圖用於紙質蜂窩板芯性能的檢測過程中 可以快捷、準確實現對蜂窩紙板的結構優化設計和優化選材，為不同條件 下的蜂窩紙板的製作提供了準確的參考數據，並以此實現了節能高效包裝。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說 明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術 領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若 幹簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1. 一種用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖的繪製方法，其特徵在於所述方法為通過檢測儀檢測蜂窩原紙的固體模量；根據靜態壓縮應力曲線得到所述蜂窩紙芯的靜態壓縮吸能量，並用所述固體模量對所述蜂窩紙芯的吸能量進行標準化，得到標準化單位體積吸能量和標準化應力之間的關係曲線，即能量吸收曲線；在低應變率下，將靜態壓縮所得到的蜂窩紙板的厚度和跨度的比值所對應的能量吸收曲線的肩點連接起來，得到呈近似線性的能量吸收曲線；在高應變率下，根據動態壓縮曲線經多項式擬合得到動態壓縮最大加速度靜應力曲線；在動態壓縮下，將蜂窩紙板的厚度和跨度的比值所對應的能量吸收曲線的肩點連接起來，形成呈近似線性的能量吸收曲線；將上述不同應變率下的能量吸收曲線進行匯總，得到用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖。
2. 根據權利要求1所述能量吸收圖的繪製方法，其特徵在於:所述檢測 儀為挺度儀,所述固體模量為& = 0.89GPa 。
3. 根據權利要求1所述能量吸收圖的繪製方法，其特徵在於:所述靜態緩沖性能為『二forfe ;式中e為材料的壓縮應變、a為材料的壓縮應力、『^對應於壓縮應變為￡時單位體積的變形能。
4. 根據權利要求1所迷能量吸收圖的繪製方法，其特徵在於:所述標準 化單位體積吸能量和標準化應力之間的關係曲線採用了對數坐標的形式。
5. 根據權利要求1所述能量吸收圖的繪製方法,其特徵在於在準靜態壓縮下，壓縮應變率可用下式估算^上;式中，A為壓縮應變率；vr為壓縮位移變化率；r為紙蜂窩夾層板的厚度。
6. 根據權利要求1所述能量吸收圖的繪製方法,其特徵在於緩衝材料的動態能量吸收可用下式表示ff =^^ = -^^;式中，W為材料單位體GT 7，積最大變形能；(7m為壓縮最大靜應力； 為壓縮靜應力；//為沖擊高度； r為緩衝材料厚度；G為沖擊最大加速度。
7.根據權利要求1所述能量吸收圖的繪製方法,其特徵在於:在動態壓 縮下，壓縮應變率可用下式估算^丄;式中，v為衝擊最大速度，根據自由落體原理v^V^/7 。
全文摘要
本發明屬於蜂窩紙板性能檢測應用領域，具體涉及一種用於檢測紙質蜂窩板芯。通過檢測儀檢測蜂窩紙芯的固體模量並將標準化單位體積吸能量和標準化應力之間的關係曲線；呈近似線性的能量吸收曲線；動態壓縮最大加速度靜應力曲線和在動態壓縮下，將蜂窩紙板的厚度和跨度的比值所對應的能量吸收曲線的肩點連接起來得到的能量吸收曲線進行匯總，得到用於檢測紙質蜂窩板芯性能的能量吸收圖。通過本發明所獲得的能量吸收圖用於紙質蜂窩板芯性能的檢測，藉助該方法可以快捷、準確實現對蜂窩紙板的結構優化設計和優化選材，為不同條件下的蜂窩紙板的製作提供了準確的參考數據，並以此實現了節能高效包裝。
文檔編號G01N19/00GK101470069SQ20071012547
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月24日 優先權日2007年12月24日
發明者王冬梅 申請人:深圳職業技術學院