新型疊層結(jié)構(gòu)瓦楞紙板設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)性能研究

仲晨，周麗娜，劉莉，夏征

新型疊層結(jié)構(gòu)瓦楞紙板設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)性能研究

仲晨1，周麗娜2，劉莉2，夏征2

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528400；2.曲阜師范大學(xué)，山東 日照 276826）

設(shè)計(jì)一種新型疊層結(jié)構(gòu)瓦楞紙板，解決傳統(tǒng)瓦楞紙板耐反復(fù)沖擊性能較差等問題，獲得緩沖及防振性能提升的包裝用新型瓦楞紙板。首先設(shè)計(jì)新型紙板芯紙結(jié)構(gòu)；其次設(shè)定新型紙板和傳統(tǒng)紙板參數(shù)，并手工制作試樣；最后對(duì)這2種紙板分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)緩沖性能試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)比分析2種紙板性能。動(dòng)態(tài)緩沖性能對(duì)比試驗(yàn)表明，在不同跌落高度下新型紙板的緩沖性能優(yōu)于傳統(tǒng)紙板；在反復(fù)沖擊條件下，新型紙板的累積緩沖性能亦優(yōu)于傳統(tǒng)紙板的。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)表明，新型紙板的減振區(qū)間為63.4～200 Hz，而傳統(tǒng)紙板在5～200 Hz內(nèi)無(wú)減振現(xiàn)象；新型紙板在40 Hz左右的振動(dòng)傳遞率達(dá)到峰值4.2，傳統(tǒng)紙板的固有頻率為163 Hz，新型紙板在此頻率下彈性模量相對(duì)較小；新型紙板用于公路、鐵路運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避開40 Hz的共振頻率。與傳統(tǒng)紙板相比，新型紙板的動(dòng)態(tài)緩沖性能及減振性能均有提升。

瓦楞紙板；新型結(jié)構(gòu)；性能；緩沖；防振

目前，運(yùn)輸包裝的常用材料以塑料和紙質(zhì)材料為主，塑料材料以發(fā)泡聚乙烯（EPE)、發(fā)泡聚苯乙烯（EPS)、發(fā)泡聚丙烯（EPP)、氣柱等為代表，多作為內(nèi)部緩沖材；紙質(zhì)材料以瓦楞紙板、蜂窩紙板等為主，多作為外包裝。盡管塑料緩沖材具有質(zhì)輕、緩沖性能好等優(yōu)點(diǎn)，但隨著綠色可持續(xù)發(fā)展成為國(guó)家戰(zhàn)略[1]以及禁塑令的推出，快遞包裝減量化、綠色化越來(lái)越受到重視。以瓦楞紙箱為代表的紙質(zhì)包裝作為典型的“綠色包裝”，其市場(chǎng)占有率逐年遞增，市場(chǎng)份額從2015年的26%上升到2021年的49%[2]。

瓦楞紙板作為運(yùn)輸包裝的主力軍，對(duì)其相關(guān)的研究一直是包裝領(lǐng)域的經(jīng)典課題。例如，有學(xué)者對(duì)瓦楞紙板的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了調(diào)研，李生輝[3]對(duì)瓦楞紙板生產(chǎn)線的上、下瓦楞輥等部件做了深入研究，利用振動(dòng)相關(guān)的力學(xué)模型和中心距振動(dòng)方程，并結(jié)合仿真軟件分析在不同轉(zhuǎn)速下，瓦楞輥應(yīng)力變化及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)瓦楞紙生產(chǎn)線作出相應(yīng)的改進(jìn)；匡雪萍[4]研究了防水型、保鮮型及納米型瓦楞紙板的生產(chǎn)工藝，為其他功能性瓦楞紙板生產(chǎn)工藝提供參考；齊輝等[5]利用Flexsim軟件對(duì)瓦楞紙板工藝制作流程進(jìn)行仿真，并提出了該生產(chǎn)系統(tǒng)的不合理之處。此外，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者還對(duì)瓦楞紙板的緩沖性能進(jìn)行了研究，如孫德強(qiáng)等[6]采用共面靜壓和共面沖擊等多種試驗(yàn)方法，研究單瓦楞紙板奇偶層相交錯(cuò)時(shí)4種交錯(cuò)角度對(duì)其緩沖性能的影響；劉武等[7]以三角形支撐結(jié)構(gòu)件為基礎(chǔ)，運(yùn)用靜態(tài)壓縮試驗(yàn)分析三角瓦楞結(jié)構(gòu)件的緩沖性能，為設(shè)計(jì)瓦楞緩沖結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)；Park等[8]運(yùn)用有限元方法分析了瓦楞紙板的正交各向異性的性能；Guo等[9]通過(guò)靜態(tài)壓縮和跌落沖擊壓縮試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了瓦楞紙板復(fù)合分層結(jié)構(gòu)的壓縮性能和緩沖能量吸收性能。還有不少學(xué)者在瓦楞紙板組合結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了探究，如王章蘋等[10]利用瓦楞紙板與紙漿模塑建立組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)與靜載試驗(yàn)對(duì)紙漿模塑的緩沖性能進(jìn)行分析，并對(duì)紙漿模塑外部尺寸、內(nèi)結(jié)構(gòu)高度及波紋間距合理設(shè)計(jì)，從而使包裝內(nèi)部緩沖結(jié)構(gòu)與餐具更好的融合，同時(shí)極大程度地降低跌落沖擊時(shí)對(duì)餐具造成的損傷與破壞；婁巧蓮[11]在傳統(tǒng)瓦楞紙板芯紙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出并制備了45°夾芯復(fù)合板，并探討多種因素對(duì)該角度芯紙復(fù)合結(jié)構(gòu)平壓性能和彎曲性能造成的影響；Dimitrov等[12]通過(guò)對(duì)瓦楞紙板邊壓強(qiáng)度進(jìn)行研究，解決了Maltenfort模型中瓦楞紙板臨界強(qiáng)度性能之間的線性回歸常數(shù)等問題。

2020年疫情以來(lái)，我國(guó)瓦楞包裝行業(yè)面臨“訂單少、成本高、利潤(rùn)低”的困局。在此形勢(shì)下，瓦楞包裝企業(yè)只有積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，及時(shí)占領(lǐng)行業(yè)制高點(diǎn)才能形成新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)[13-14]。其中，開發(fā)新型瓦楞紙箱和新型瓦楞紙板是創(chuàng)新轉(zhuǎn)型非?？尚械乃悸?。經(jīng)上述資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)瓦楞紙板的研究多針對(duì)普通瓦楞紙板，對(duì)瓦楞紙板結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研究尚鮮見報(bào)道。基于此，本課題對(duì)瓦楞紙板芯紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種新型結(jié)構(gòu)瓦楞紙板，并進(jìn)一步研究了其動(dòng)態(tài)緩沖性能，為瓦楞紙板的技術(shù)創(chuàng)新提供參考。

1 新型瓦楞紙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)描述

傳統(tǒng)瓦楞紙板（以下簡(jiǎn)稱“傳統(tǒng)紙板”）由上、下面的面紙及中間的芯紙構(gòu)成三層結(jié)構(gòu)。其芯紙按瓦楞圓弧的大小分為V形、U形和UV形3種，但不論何種類型芯紙，從立體結(jié)構(gòu)看，傳統(tǒng)紙板芯紙是一個(gè)向上凸起，向下凹陷的規(guī)則波紋；從截面形狀看，芯紙結(jié)構(gòu)由一個(gè)個(gè)呈三角狀或近似三角的折線連接而成。

本文提出的新型疊層結(jié)構(gòu)瓦楞紙板（下稱“新型紙板”）在傳統(tǒng)紙板三層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)芯紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新。新型芯紙如圖1所示。圖1a是芯紙的平面結(jié)構(gòu)，圖1b是其立體結(jié)構(gòu)。新型芯紙保留了傳統(tǒng)紙板芯紙的平行線主體結(jié)構(gòu)，以便在生產(chǎn)時(shí)可以被壓縮為手風(fēng)琴狀，利于在儲(chǔ)紙平臺(tái)上操作。與傳統(tǒng)紙板芯紙的不同之處在于，在平行線間設(shè)計(jì)有呈一定角度的對(duì)折線，折疊后呈正反撳壓痕狀態(tài)，使得芯紙成型后呈現(xiàn)上下兩層的立體結(jié)構(gòu)。上層結(jié)構(gòu)形狀為立體六角菱形，折痕在其上下棱角的連接直線上，順著直線折疊，使折疊處向下凹陷。六角菱形的左右兩邊向上凸起，并與毗鄰的六角菱形相連，從而形成六角菱形連排狀態(tài)。由于連排的六角菱形有向下凹陷和向上凸起結(jié)構(gòu)，因此它們可以被橫向壓縮在一起。下層結(jié)構(gòu)呈V形結(jié)構(gòu)，V形結(jié)構(gòu)與六角菱形結(jié)構(gòu)的凸起處和凹陷處分別處在同一直線上。從立體角度看，六角菱形結(jié)構(gòu)的側(cè)面形狀是等腰梯形，其向上凸起處比V形結(jié)構(gòu)的楞峰高，整體形成高–低–高的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

圖1 新型疊層結(jié)構(gòu)瓦楞紙板

1.2 參數(shù)設(shè)定

新型紙板芯紙參數(shù)如圖2所示，圖2a、b和c分別為芯紙參數(shù)示意圖、芯紙成型后縱壓線方向（與楞向平行）截面及橫壓線方向（與楞向垂直）截面。其中，1為楞間距，mm；2為起楞高度，mm；3為六角菱形長(zhǎng)度，mm；1為六角菱形頂點(diǎn)半角角度，（°）；2為起楞垂線與水平面夾角，（°）；3為芯紙定型時(shí)截面三角形邊線與水平面夾角，（°）。

圖2 新型紙板芯紙結(jié)構(gòu)

基于三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算可知，紙板成型后的芯紙高度1如式（1）所示。

由圖2a可知，=1/tan1，故=3?2。成型前原紙縱向長(zhǎng)度為3/2+2+/2=2+3?（簡(jiǎn)便起見，取圖2a縱向半圖計(jì)算）。由圖2b可知，成型后芯紙縱向長(zhǎng)度為/2+2cos2+3/2=2cos2+3?，則芯紙的縱向收縮率1如式（2）所示。

由圖2a可知，成型前原紙橫向長(zhǎng)度為21，由圖2c可知，成型后芯紙橫向長(zhǎng)度為21cos3，則芯紙的橫向收縮率2如式（3）所示。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮到瓦楞紙板的主要用途是作為運(yùn)輸包裝材料，本文重點(diǎn)考查新型紙板在動(dòng)態(tài)沖擊下的動(dòng)態(tài)緩沖性能。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行新型紙板動(dòng)態(tài)緩沖性能分析，這里將傳統(tǒng)的單楞三層瓦楞紙板作為性能對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到新型紙板試樣需手工制作完成，制作過(guò)程中在成型、黏合等工序均存在制作誤差，致使試樣性能較工業(yè)生產(chǎn)瓦楞紙板性能有所降低。若將手工制作新型紙板與工業(yè)生產(chǎn)瓦楞紙板直接比較，數(shù)據(jù)可信度不足，故作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)紙板也一并利用相同材料由手工制作，以最大限度地降低手工打樣導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差。

2.2 試樣制作

瓦楞紙板國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]中要求瓦楞紙箱生產(chǎn)用紙材料必須符合規(guī)定，箱板紙定量為250、280、300、320、360 g/m2，瓦楞原紙的定量為125、150、180 g/m2。基于此，本文試樣所用芯紙優(yōu)選為125 g/m2瓦楞原紙，面紙優(yōu)選為250 g/m2的箱紙板。

2.2.1 新型紙板試樣制作

為便于制作與對(duì)比，新型紙板芯紙參數(shù)設(shè)定如表1所示。由式（2）和（3）計(jì)算可知，試樣芯紙的𝛽1和𝛽2分別0.17和0.29。

表1 新型紙板芯紙參數(shù)設(shè)定

Tab.1 Setting of parameters of corrugating medium of new corrugated board

新型紙板試樣制作共分為如下3步.

1）芯紙初步成型。根據(jù)上述設(shè)定參數(shù)，利用包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件ArtiosCAD繪制芯紙平面結(jié)構(gòu)，使用打樣機(jī)（ESKO，康思博V3型）對(duì)芯紙打樣，然后進(jìn)行手工折疊形成立體芯紙。

2）芯紙精確成型。由于立體芯紙具有手風(fēng)琴式的可收縮性，為保證試樣成型精度，設(shè)計(jì)了如圖3所示的U形定型框。該定型框由底板和2個(gè)側(cè)板組成，材料采用厚度為5 mm的亞克力板以保證框體剛度。在兩側(cè)板上打有直徑為2 mm的小孔（加工精度下限），孔間距等于所設(shè)計(jì)新型紙板芯紙的楞間距。在兩側(cè)板孔中按S型回路穿直徑為0.1 mm的尼龍細(xì)線，細(xì)線呈繃緊的直線狀態(tài)。試樣制作時(shí)將已呈立體狀態(tài)的芯紙架放在尼龍細(xì)線上，以確保其橫向楞間距精度；沿尼龍細(xì)線方向設(shè)有定位卡扣，兩定位卡扣間距由式（2）計(jì)算得出，以確保其縱向縮進(jìn)精度。

3）黏合面紙和底紙。用棉棒把淀粉黏合劑均勻地涂抹在已定型好的芯紙楞線上，貼合一側(cè)的面紙形成單楞雙層紙板。放置約10 min，把單楞雙層紙板取下，翻轉(zhuǎn)180°后黏合另一側(cè)底紙，最終形成單楞三層紙板。

圖3 U型亞克力定位框

2.2.2 傳統(tǒng)紙板試樣制作

傳統(tǒng)紙板結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其制作與新型紙板大致相同，具體過(guò)程省略。試樣參數(shù)設(shè)定為𝜃3=45°，楞間距為5 mm。

由于手工制作時(shí)試樣厚度下限限制及芯紙結(jié)構(gòu)的改變，新型紙板與傳統(tǒng)紙板的試樣高度不同。最終，傳統(tǒng)紙板及新型紙板試樣厚度分別為（5±0.2）mm和（7±0.2）mm。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.3.1 試樣預(yù)處理

在進(jìn)行試驗(yàn)前，將紙板試樣放置于溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為70%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下24 h以上。

2.3.2 動(dòng)態(tài)緩沖特性試驗(yàn)

通常材料的動(dòng)態(tài)緩沖特性應(yīng)使用材料動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)[16]。本文使用材料動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)機(jī)（西安廣博檢測(cè)設(shè)備有限公司，XG–HC型）進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)受手工試樣精度限制及試驗(yàn)機(jī)落錘最小質(zhì)量限制，該設(shè)備無(wú)法獲得低應(yīng)力狀態(tài)下的加速度數(shù)據(jù)，致使動(dòng)態(tài)緩沖特性曲線不完整（參見圖4）。因此，本文基于動(dòng)態(tài)壓縮原理，利用沖擊試驗(yàn)機(jī)[17]（蘇試試驗(yàn)設(shè)備有限公司，CL–20型）進(jìn)行新型紙板的動(dòng)態(tài)緩沖性能試驗(yàn)（參見圖5）。

1）試驗(yàn)準(zhǔn)備：將試樣材料固定于沖擊臺(tái)中央，其上放置一定質(zhì)量的鐵板作為產(chǎn)品模擬物；將加速度傳感器1固定于沖擊臺(tái)上，將加速度傳感器2固定于鐵板上表面中央位置，兩傳感器另一端均與數(shù)據(jù)采集儀TP3（美國(guó)Lansmont公司，Lite型）連接，以采集沖擊加速度曲線數(shù)據(jù)。

2）試樣參數(shù)：設(shè)置等效跌落高度分別為150、300、500和700 mm，以檢驗(yàn)新型紙板在不同跌落高度下的緩沖性能；紙板面積分別為40 mm×40 mm、50 mm× 50 mm、60 mm×60 mm、70 mm×70 mm、80 mm× 80 mm及90 mm×90 mm，以獲得不同的靜應(yīng)力數(shù)據(jù)；鐵板質(zhì)量為0.35 kg。

圖4 動(dòng)態(tài)緩沖特性預(yù)試驗(yàn)

3）試樣步驟：①將沖擊臺(tái)抬升至某一預(yù)定的等效跌落高度，由鐵板和試樣材料組成的緩沖系統(tǒng)和沖擊臺(tái)一起跌落，沖擊臺(tái)撞擊下部緩沖墊瞬間由TP3采集沖擊數(shù)據(jù)；②更換新的紙板試樣進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)5次，完成某一應(yīng)力點(diǎn)下的數(shù)據(jù)采集；③更換不同面積的紙板試樣，并重復(fù)步驟①和②，完成某一跌落高度下的緩沖特性曲線；④重復(fù)步驟①至③，完成不同跌落高度下緩沖特性曲線。

圖5 動(dòng)態(tài)緩沖特性試驗(yàn)

2.3.3 振動(dòng)特性試驗(yàn)

設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)檢驗(yàn)新型紙板的防振性能[18]，試驗(yàn)設(shè)備為電磁振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)（蘇試，TBS–630型），振動(dòng)方式設(shè)定為隨機(jī)振動(dòng)，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。

1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)：將紙板試樣固定在振動(dòng)臺(tái)中央；紙板上面放置用以模擬產(chǎn)品的平板玻璃；將加速度計(jì)1固定于平板玻璃上表面中心以采集振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，加速度計(jì)2固定于振動(dòng)臺(tái)上以反饋振動(dòng)臺(tái)控制。

圖6 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

2）試樣參數(shù)：試驗(yàn)材料采用新型紙板和傳統(tǒng)紙板作為緩沖襯墊，2種紙板試樣尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）分別為60 mm×60 mm×7 mm和60 mm×60 mm×5 mm；平板玻璃尺寸為150 mm×150 mm×5 mm；激勵(lì)PSD曲線由GB/T 4857.23—2021中的公路運(yùn)輸嚴(yán)酷水平1隨機(jī)振動(dòng)PSD曲線表示，激振數(shù)據(jù)如表2所示。

3）試樣步驟：①將紙板和平板玻璃依次放在振動(dòng)臺(tái)上并固定，并使振動(dòng)臺(tái)、紙板和平板玻璃的幾何形心重合；②在振動(dòng)臺(tái)上和平板玻璃上分別安裝加速度傳感器；③在振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)CR–300軟件中進(jìn)行目標(biāo)譜和參數(shù)設(shè)定，開始測(cè)試；④記錄2種紙板的振動(dòng)傳遞率曲線。

表2 隨機(jī)振動(dòng)PSD曲線（公路運(yùn)輸嚴(yán)酷水平1）

Tab.2 PSD curve used in random vibration test (hazard level 1 of road transportation)

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

基于沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制最大加速度–靜應(yīng)力曲線。根據(jù)公式=/，可計(jì)算不同的靜應(yīng)力值。式中，為靜應(yīng)力，Pa；為載荷，N；為承壓面積，m2。基于TP3采集的加速度–時(shí)間曲線可得某靜應(yīng)力下的最大響應(yīng)加速度。由于同一應(yīng)力下進(jìn)行了5次重復(fù)性試驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理后的加速度為該應(yīng)力點(diǎn)下的加速度平均值。

基于隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制振動(dòng)傳遞率曲線。頻譜值由試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接獲??；根據(jù)公式r=out/in，可計(jì)算不同頻率下的振動(dòng)傳遞率。式中，r為振動(dòng)傳遞率；out和in分別為響應(yīng)加速度和激振加速度。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 緩沖性能分析

圖7a和圖7b分別表示在150、300、500和700 mm等效跌落高度下2種紙板首次跌落及2～6次跌落平均的加速度–靜應(yīng)力曲線對(duì)比，圖7a和圖7b同時(shí)標(biāo)注了各應(yīng)力點(diǎn)下重復(fù)性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。首次跌落條件下，2種紙板加速度下降程度對(duì)比數(shù)據(jù)見表3。

由圖7可知，不論是不同跌落次數(shù)下的對(duì)比，還是不同跌落高度下的對(duì)比，新型紙板的最大加速度–靜應(yīng)力曲線均低于相對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)紙板曲線，這表明新型紙板的緩沖性能整體上優(yōu)于傳統(tǒng)紙板的。由表3可知，在為300 mm和500 mm條件下，新型紙板較傳統(tǒng)紙板的加速度下降了約1/4，緩沖效果提升顯著；在為150 mm和700 mm條件下，新型紙板較傳統(tǒng)紙板的加速度下降了約16%，緩沖效果亦有改善。

就首次跌落而言，隨著跌落高度的增加，傳統(tǒng)紙板及新型紙板的最大加速度–靜應(yīng)力曲線的最低點(diǎn)（包裝設(shè)計(jì)時(shí)安全性最高）均由高靜應(yīng)力向低靜應(yīng)力移動(dòng)，說(shuō)明2種紙板的最佳緩沖狀態(tài)均隨跌落高度的增加而由重載向輕載移動(dòng)。對(duì)比2～6次跌落平均值可知，隨著跌落次數(shù)的增加，2種紙板的加速度最小值均有顯著增加，可見緩沖性能均呈下降狀態(tài)。

圖8是2種紙板在不同跌落高度下，2～6次累計(jì)跌落與首次跌落的加速度最小值的增幅對(duì)比?？芍S著跌落高度的增加，新型紙板在累積沖擊下的加速度增幅更小，說(shuō)明其累積沖擊下的緩沖性能更佳。但注意到為150 mm和300 mm時(shí)的新型紙板加速度增量比傳統(tǒng)紙板的高，說(shuō)明在低跌落條件下，新型紙板因其獨(dú)特雙層結(jié)構(gòu)而具有較好恢復(fù)性，使其累計(jì)跌落后仍保持了足夠剛度，造成累計(jì)跌落與首次跌落加速度的增幅較大；而高跌落條件下新型紙板的雙層結(jié)構(gòu)被壓縮變形，柔性增加，表現(xiàn)出更強(qiáng)的緩沖效果。

3.2.2 防振性能分析

圖9是2種紙板在隨機(jī)振動(dòng)中的振動(dòng)傳遞率曲線對(duì)比。新型紙板的減振區(qū)間為63.4～200 Hz，而傳統(tǒng)紙板在8～200 Hz內(nèi)無(wú)減振?？梢娫?3.4～200 Hz頻率下，新型紙板具有良好的減振效果?？紤]到航空運(yùn)輸振動(dòng)能量主要集中在高頻區(qū)，故新型紙板特別適合航空運(yùn)輸包裝。相較于新型紙板的固有頻率（40 Hz），傳統(tǒng)紙板在163 Hz達(dá)到最大振動(dòng)傳遞率6.1，說(shuō)明新型紙板彈性模量相對(duì)較小，剛度相對(duì)較弱，具有更好的柔軟性。注意到在63.4 Hz頻率以下時(shí)，2種紙板在40 Hz附近的r均有（次級(jí)）峰值，新型紙板的r達(dá)到4.2左右，顯著高于傳統(tǒng)紙板的r=1.54。0～50 Hz是公路運(yùn)輸?shù)哪芰考蓄l帶，可見新型紙板在該頻帶的減振效果不理想，故利用新型紙板進(jìn)行公路運(yùn)輸包裝應(yīng)避開40 Hz這一共振頻率。

圖7 最大加速度–靜應(yīng)力曲線

表3 首次跌落條件下新型紙板與傳統(tǒng)紙板加速度下降程度對(duì)比

Tab.3 Comparison of decline degree of acceleration between new corrugated board and traditional corrugated board under the first drop

圖8 2～6次跌落平均值較首次跌落的加速度增量

圖9 振動(dòng)傳遞率曲線

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種新型疊層結(jié)構(gòu)瓦楞紙板，并與傳統(tǒng)三層瓦楞紙板進(jìn)行對(duì)比，分析了新型紙板的動(dòng)態(tài)緩沖性能及防振性能，得出以下結(jié)論。

1）動(dòng)態(tài)緩沖性能對(duì)比試驗(yàn)表明，在不同跌落高度下，新型紙板的緩沖性能優(yōu)于傳統(tǒng)紙板的；在反復(fù)沖擊條件下，新型紙板的累積緩沖性能亦優(yōu)于傳統(tǒng)紙板的。隨跌落高度的增加，新型紙板與傳統(tǒng)紙板一樣，其緩沖性能均呈下降趨勢(shì)。

2）隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)表明，新型紙板較傳統(tǒng)紙板的減振性能整體上更優(yōu)，特別是在高頻區(qū)新型紙板的減振效果更為顯著，適用于航空運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)。新型紙板同樣適用于公路、鐵路運(yùn)輸包裝，但應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)避開40 Hz的共振點(diǎn)。

3）得益于新型紙板獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu)，使其在低跌落條件下具有較好恢復(fù)性，并在累計(jì)跌落后仍保持足夠剛度；在高跌落條件下其雙層結(jié)構(gòu)被壓縮變形，柔性增加，表現(xiàn)出更強(qiáng)的緩沖效果。雙層結(jié)構(gòu)與2個(gè)彈簧串聯(lián)等效，使其在振動(dòng)方面具有減振效果。

4）本文采用手工試樣制作，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在一定程度上存在誤差。下一步擬進(jìn)行有限元仿真，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)可信度，并從理論上分析新型紙板的緩沖機(jī)理。另外，振動(dòng)試驗(yàn)中新型紙板在低于63.4 Hz條件下的減振效果不理想，分析得出原因應(yīng)與新型紙板雙層結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，最優(yōu)減振參數(shù)的確定應(yīng)是下一步研究目標(biāo)。

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Design and Dynamic Performance of New Corrugated Board with Laminated Structure

ZHONG Chen1, ZHOU Li-na2, LIU Li2, XIA Zheng2

(1. Zhongshan Torch Ploytechnic, Guangdong Zhongshan 528400, China; 2. Qufu Normal University, Shandong Rizhao 276826, China)

The work aims to design a new kind of corrugated board with laminated structure, to solve the problems of poor repeated impact resistance of traditional corrugated board and obtain a new corrugated board with improved cushioning and damping performance for packaging. Firstly, the corrugating medium structure of the new corrugated board was designed. Secondly, the parameters of the new corrugated board and the traditional corrugated board were set, and the samples were made manually. Finally, the dynamic cushioning performance test and random vibration test were carried out to the two kinds of corrugated boards, and the performance of the two corrugated boards was compared and analyzed. The dynamic cushioning test showed that the cushioning performance of the new corrugated board was better than that of the traditional one under varied drop heights. Under repeated impact, the cumulative cushioning performance of the new corrugated board was also better than that of the traditional one. The random vibration test proved that the damping range of the new corrugated board was 63.4～200 Hz, while the traditional one had no damping performance in the range of 5～200 Hz. The vibration transitivity of the new corrugated board reached a peak value of 4.2 at about 40 Hz. At the natural frequency of 163 Hz of the traditional corrugated board, the elastic modulus of the new corrugated board was relatively small. The resonance frequency of 40 Hz should be avoided when the new corrugated board was used in the packaging design for highway and railway transportation. Compared with the traditional corrugated board, the dynamic cushioning performance and vibration damping performance of the proposed corrugated board are improved.

corrugated board; new structure; performance; cushioning; damping

TB484.1

A

1001-3563(2023)09-0206-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.025

2022?06?05

廣東省教育廳2021年度普通高校重點(diǎn)科研平臺(tái)和項(xiàng)目（2021GCZX020）

仲晨（1979—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槲锪靼b和包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

夏征（1978—），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)榘b設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋