一種紙漿模塑蜂窩板材緩沖性能的研究

李國(guó)志，張美琦，孫德強(qiáng)，周健民，何興娟

一種紙漿模塑蜂窩板材緩沖性能的研究

李國(guó)志，張美琦，孫德強(qiáng)*，周健民，何興娟

（陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021）

為了解決因技術(shù)水平制約，紙蜂窩材料芯紙構(gòu)型單一、單層厚度受限等瓶頸問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種通用型緩沖結(jié)構(gòu)板材。以紙漿模塑為原材料，以六棱柱結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計(jì)并加工出一種通過(guò)正反插方式組合而成的蜂窩板材，并采用有限元方法進(jìn)行仿真，得到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和相關(guān)最優(yōu)參數(shù)組合。正反插結(jié)構(gòu)的紙漿模塑板材具有較好的耦合效應(yīng)，承載能力相較于單層板材大幅提高；結(jié)合極限載荷、比吸能等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)板材性能進(jìn)行定量分析，初始?jí)嚎s載荷最大可達(dá)到73.7 kN，滿足托盤(pán)等重型包裝器具的承載需求。通過(guò)極差和方差分析可知，各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)板材承載性能和緩沖性能的影響程度，研究表明單元壁厚、中截面邊長(zhǎng)對(duì)該板材承載性能和緩沖性能影響顯著。正反插結(jié)構(gòu)解決了現(xiàn)有紙蜂窩材料高度、厚度受限，構(gòu)型單一等瓶頸問(wèn)題，提高了紙漿模塑蜂窩板材的承載性能和緩沖性能，可以滿足重載要求。與之相關(guān)的其他正多邊形錐形薄壁管單元亦可以使用同樣的正反插設(shè)計(jì)理念和研究方法。

紙漿模塑；蜂窩板材；正交試驗(yàn)；承載性能；緩沖性能

紙漿模塑制品是以草本植物纖維漿料或廢棄紙品為原材料制成的具有特定幾何空腔結(jié)構(gòu)和一定抗壓緩沖性能的紙制品[1]，廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的緩沖包裝，如電子產(chǎn)品襯墊、易碎品隔墊等[2]。

相關(guān)研究表明，紙漿模塑制品是通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的變形，即組成制品結(jié)構(gòu)單元側(cè)壁的彎曲、破裂等來(lái)吸收能量、實(shí)現(xiàn)緩沖目的[3]。對(duì)其性能的研究主要有以下3個(gè)方面：對(duì)紙漿模塑材料力學(xué)性能的研究[4-7]；對(duì)紙漿模塑單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究或開(kāi)發(fā)，討論成型參數(shù)對(duì)其自身承載能力和緩沖性能的影響規(guī)律[1, 8-13]；對(duì)紙漿模塑緩沖包裝性能的研究，主要集中在對(duì)具體產(chǎn)品的緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和緩沖性能研究2個(gè)方面[14-16]。

由于紙漿模塑制品是針對(duì)具體產(chǎn)品的個(gè)性化包裝，只有需求量達(dá)到一定規(guī)模后才具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。為縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低模具加工成本，若可以開(kāi)發(fā)一種通用型紙漿模塑蜂窩板材用于產(chǎn)品緩沖防護(hù)，則將進(jìn)一步拓展紙漿模塑的應(yīng)用市場(chǎng)。本文設(shè)計(jì)并制備一種正反插式紙漿模塑蜂窩板材，運(yùn)用有限元仿真技術(shù)從單元結(jié)構(gòu)參數(shù)、排列方式等方面，確定出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和最優(yōu)參數(shù)組合，為紙漿模塑制品通用化模塊化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 正反插式紙漿模塑蜂窩板材結(jié)構(gòu)

正反插式紙漿模塑板材是由兩層單面蜂窩板材通過(guò)錯(cuò)位插接的方式構(gòu)成的復(fù)合雙壁厚蜂窩。兩層單面蜂窩板材上的錐形薄壁管單元側(cè)壁緊密接觸，該結(jié)構(gòu)不需要膠黏，生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)單，且易于實(shí)現(xiàn)對(duì)多種蜂窩構(gòu)型和不同厚度板材的加工。這種蜂窩板材可以根據(jù)不同需求將其切割、組裝，用于工業(yè)產(chǎn)品緩沖包裝等多個(gè)領(lǐng)域。本文以薄壁管單元橫截面為正六邊形的紙漿模塑蜂窩板材為例，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 新型紙漿模塑蜂窩板材正反插結(jié)構(gòu)

結(jié)合張新昌等[1]對(duì)圓臺(tái)狀單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義，將該板材錐形薄壁管單元結(jié)構(gòu)參數(shù)定義為中截面邊長(zhǎng)0、拔模斜角、制品高度和單元壁厚，如圖2所示。

圖2 錐形薄壁管單元幾何模型

中截面是指與底面平行且與兩底面等距離的平面截幾何體所得的截面。設(shè)棱臺(tái)上下底面面積分別為?和?，底面的外接圓半徑分別為?和?，則棱臺(tái)的中截面面積0的計(jì)算見(jiàn)式（1）。

則棱臺(tái)中截面邊長(zhǎng)，即中截面的外接圓半徑0定義見(jiàn)式（2）。

2 有限元建模

2.1 材料參數(shù)測(cè)定

本文試驗(yàn)所用紙漿模塑制品及模具均委托陜西環(huán)賽工貿(mào)有限公司定制加工，制品原料為100%回收瓦楞紙漿。參照GB/T 12914—2018《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到紙漿模塑材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，測(cè)得所用紙漿模塑材料彈性模量和屈服極限的大小分別為50.37 MPa和0.075 MPa。

圖3 紙漿模塑材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 有限元模型建立

利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立了異面沖擊下單元陣列為10×10的正反插式紙漿模塑蜂窩板材的有限元模型。如圖4所示，板材置于上下2個(gè)鋼板之間，異面方向上沖擊板1以恒定速度向下均勻沖擊試樣至板材密實(shí)，下支撐板2固定。

圖4 新型紙漿模塑蜂窩板材異面沖擊有限元模型

紙漿模塑制品屬于典型的薄殼結(jié)構(gòu)，選用4節(jié)點(diǎn)的shell163薄殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文選擇了各向同性的雙線性塑性模型近似表征紙漿模塑材料彈黏塑性模型，上下壓板定義為剛性體材料模型，具體參數(shù)如表1所示。

為確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用基于單元陣列的方式建立同實(shí)物一致的幾何模型，上下板材之間不做布爾運(yùn)算，基板與對(duì)應(yīng)單元在共用邊界處連接。對(duì)形狀較為復(fù)雜的蜂窩板材采用自由劃分網(wǎng)格的方式，網(wǎng)格大小為1.5 mm，對(duì)上下壓板則采用映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為2 mm。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[17]并綜合考慮計(jì)算效率和結(jié)果準(zhǔn)確性，設(shè)置上壓板壓縮速度為1 m/s。下壓板采用全約束，板材與上下壓板之間定義為自動(dòng)面面接觸，蜂窩板材胞壁間定義為自動(dòng)單面接觸。最后利用后處理軟件LS-PREPOST對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2.3 模型可靠性驗(yàn)證

依據(jù)GB/T 8168—2008《包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法》對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。試樣選用單元陣列為8×8的正反插式紙漿模塑蜂窩板材，中截面邊長(zhǎng)為15 mm，拔模斜角為5°，制品高度為30 mm，單元壁厚為2 mm，樣品數(shù)量為5件。試驗(yàn)前將所有試樣按GB/T 10739—2002規(guī)定進(jìn)行預(yù)處理。試驗(yàn)過(guò)程中，上壓板以12 mm/min的速度沿異面方向?qū)υ嚇邮┘虞d荷，當(dāng)載荷急劇增加時(shí)停止試驗(yàn)。

如圖5所示建立與試樣結(jié)構(gòu)完全相同的有限元模型進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)仿真，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)試樣的變形模式具有明顯一致性。蜂窩板材的上下基板首先出現(xiàn)微小局部變形，隨著壓縮載荷的進(jìn)一步增大，兩端逐漸向中間折疊變形直至完全密實(shí)。

表1 有限元分析所用材料的基本物理參數(shù)

Tab.1 Basic physical parameters of materials used for finite element analysis

圖5 靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和仿真變形模式

紙漿模塑蜂窩板材試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的負(fù)載-伸長(zhǎng)量曲線也呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，如圖6所示。試樣在靜態(tài)壓縮過(guò)程中主要經(jīng)歷了4個(gè)變形階段：線彈性階段、屈服階段、平臺(tái)階段和密實(shí)化階段。其中試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的平均平臺(tái)應(yīng)力分別為18 926.01 N和20 280.04 N，相對(duì)誤差為6.68%，具有較好的一致性。因此，從變形模式、負(fù)載-伸長(zhǎng)量曲線和平均平臺(tái)應(yīng)力值這三方面都說(shuō)明了該正反插式紙漿模塑蜂窩板材有限元模型具有較好的可靠性。

2.4 正反插式組合蜂窩板材與單層板材承載性能比較

通過(guò)對(duì)正反插式紙漿模塑蜂窩板材及其單層板材進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，試樣數(shù)量均為5件，共得到10組壓縮載荷-位移曲線和對(duì)應(yīng)數(shù)值，如圖7所示。

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到各組紙漿模塑試樣所能承受的最大載荷，并計(jì)算出平均承載力分別為19 595.03 kN和9 279.11 kN。可以發(fā)現(xiàn)在材料、單元結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)條件相同的情況下，正反插式紙漿模塑蜂窩板材相較單層板材其承載能力提升了1.11倍。這是由于錯(cuò)位插接的方式使上下兩層單板上的結(jié)構(gòu)單元之間交替形成線接觸和面接觸，使結(jié)構(gòu)單元之間的結(jié)合強(qiáng)度增大，因而在受到壓縮載荷作用時(shí)，插接的單元表面之間形成摩擦和移動(dòng)阻力，在一定程度上提高了蜂窩板材的承載能力。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究單元結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紙漿模塑蜂窩板材承載能力和緩沖性能的影響，采用4因素4水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。選擇中截面邊長(zhǎng)、拔模斜角、制品高度和單元壁厚這4個(gè)對(duì)板材性能影響較大的因素?？紤]到實(shí)際加工工藝的局限性，各因素選取的4個(gè)水平值見(jiàn)表2。

圖6 靜態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

圖7 正反插蜂窩板材與單板靜態(tài)壓縮試驗(yàn)曲線對(duì)比

表2 試驗(yàn)因素與水平

Tab.2 Factors and corresponding levels in test

根據(jù)表2的方案，基于SPSSAU軟件生成L16（44）正交表，將256次模擬試驗(yàn)簡(jiǎn)化為16次。建立相應(yīng)的幾何參數(shù)模型進(jìn)行有限元仿真模擬，結(jié)合極限載荷、比吸能等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同參數(shù)組合板材的承載能力和緩沖性能進(jìn)行定量分析，繪制出參數(shù)圖表，從而確定板材的最優(yōu)參數(shù)組合和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 結(jié)果分析

4.1 承載性能

本次模擬試驗(yàn)的目標(biāo)是得到各參數(shù)組合紙漿模塑蜂窩板材的極限載荷值。對(duì)16組模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到各參數(shù)組合蜂窩板材的極限載荷如表3所示。由表3可知，15號(hào)試樣承受載荷的能力最佳，所能承受的最大載荷達(dá)到73.7 kN，能夠滿足市場(chǎng)上絕大多數(shù)產(chǎn)品的承載需求。

另外，為了研究中截面邊長(zhǎng)、拔模斜角、制品高度和單元壁厚這4個(gè)因素對(duì)承載性能的影響程度，并分析其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行極差和方差分析。分析結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

由表4可以看出，結(jié)合值（因素極差值）對(duì)比可知，各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)板材承載性能的影響程度從大到小為單元壁厚、中截面邊長(zhǎng)、制品高度、拔模斜角。其中單元壁厚、中截面邊長(zhǎng)對(duì)承載性能影響最大，最優(yōu)參數(shù)組合為4314，即中截面邊長(zhǎng)為30 mm、拔模斜角為6°、制品高度為20 mm和單元壁厚為4 mm，其中腳標(biāo)表示試驗(yàn)水平。

結(jié)合表5的多因素方差分析結(jié)果可知，中截面邊長(zhǎng)和單元壁厚的顯著性水平值均小于0.05。說(shuō)明這2個(gè)因素均為板材承載性能的顯著性影響因素，會(huì)與承載性能產(chǎn)生顯著性差異關(guān)系。其中2值為0.976，意味著中截面邊長(zhǎng)、拔模斜角、制品高度和單元壁厚4項(xiàng)因素可以解釋承載性能97.6%的變異原因。

表3 紙塑蜂窩板材的承載性能仿真結(jié)果

Tab.3 Simulation results of load carrying property of pulp molded honeycomb boards

表4 極差分析結(jié)果

Tab.4 Results of range analysis

注：K代表不同因素在水平時(shí)的平均值；代表極差值。

表5 多因素方差分析結(jié)果

Tab.5 Results of multivariate variance analysis

4.2 緩沖性能

結(jié)合二維多孔材料緩沖性能的評(píng)價(jià)方法，分析紙漿模塑蜂窩板材的吸能特性。描述的基本參數(shù)主要有動(dòng)態(tài)平臺(tái)應(yīng)力、總吸能和比吸能等。

設(shè)上壓板1與蜂窩板材之間的接觸載荷為，位移為，在異面沖擊時(shí)蜂窩板材的等效接觸面積和高度分別為和，應(yīng)力與應(yīng)變的計(jì)算見(jiàn)式（3）。

在動(dòng)態(tài)沖擊條件下，平臺(tái)階段的應(yīng)力均值稱為動(dòng)態(tài)平臺(tái)應(yīng)力m[18]，動(dòng)態(tài)平臺(tái)應(yīng)力是評(píng)價(jià)緩沖材料吸能特性的一個(gè)重要指標(biāo)，計(jì)算式見(jiàn)式（4）。

式中：0、D分別為初始應(yīng)變和密實(shí)化應(yīng)變。

比吸能ea[19-21]指緩沖材料在壓縮至密實(shí)化階段時(shí)單位質(zhì)量所吸收的能量值，是比較不同結(jié)構(gòu)吸能特性的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)總吸能a與試樣質(zhì)量的比值來(lái)確定，其中蜂窩板材的總吸能可通過(guò)對(duì)載荷-位移曲線進(jìn)行積分得到，計(jì)算式見(jiàn)式（5）～（6）。

式中：D為密實(shí)化應(yīng)變?yōu)镈時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移值。

利用上述評(píng)價(jià)方法對(duì)16組模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到正反插式紙漿模塑蜂窩板材在不同參數(shù)組合下的動(dòng)態(tài)平臺(tái)應(yīng)力和比吸能，如表6所示。

由表6可知，6號(hào)試樣和3號(hào)試樣的吸能特性最佳，其動(dòng)態(tài)平臺(tái)應(yīng)力和比吸能分別為0.683 161 MPa、1 792.74 J和0.549 944 MPa、2 194.35 J。為了研究中截面邊長(zhǎng)、拔模斜角、制品高度和單元壁厚這4個(gè)因素對(duì)緩沖性能的影響程度，并分析其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行極差和方差分析。分析結(jié)果見(jiàn)表7、表8。

表6 紙塑蜂窩板材的緩沖性能仿真結(jié)果

Tab.6 Simulation results of cushioning property of pulp molded honeycomb boards

結(jié)合表7的極差分析結(jié)果可知，各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)平臺(tái)應(yīng)力的影響程度從大到小為單元壁厚、中截面邊長(zhǎng)、拔模斜角、制品高度，而結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比吸能的影響程度從大到小為中截面邊長(zhǎng)、單元壁厚、拔模斜角、制品高度，兩者具有明顯的一致性。其中單元壁厚、中截面邊長(zhǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)平臺(tái)應(yīng)力和比吸能的影響最大，最優(yōu)參數(shù)組合為1234，即中截面邊長(zhǎng)為15 mm、拔模斜角為4°、制品高度為40 mm和單元壁厚為4 mm時(shí)，紙漿模塑蜂窩板材結(jié)構(gòu)緩沖性能最強(qiáng)。結(jié)合表8的多因素方差分析結(jié)果可知，只有中截面邊長(zhǎng)和單元壁厚的顯著性水平值小于0.05，才說(shuō)明這2個(gè)因素均為板材緩沖性能的顯著性影響因素，會(huì)對(duì)板材吸能特性產(chǎn)生顯著性差異。

表7 極差分析結(jié)果

Tab.7 Results of range analysis

注：K代表不同因素在水平時(shí)的平均值；代表極差值。

表8 多因素方差分析結(jié)果

Tab.8 Results of multivariate variance analysis

在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求利用正交試驗(yàn)方法快速確定板材性能的顯著性影響因素和最優(yōu)參數(shù)組合，來(lái)確保所使用板材的力學(xué)性能最佳，從而達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的目的。但僅依靠正交模擬試驗(yàn)無(wú)法直接判定各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)正反插式紙漿模塑蜂窩板材緩沖性能的影響規(guī)律，還需要增加補(bǔ)充模擬試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析。

5 結(jié)語(yǔ)

基于傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制備出一種新型正反插式紙漿模塑蜂窩板材，通過(guò)試驗(yàn)和有限元仿真2種手段對(duì)其承載性能和緩沖性能進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

1）在保證材料、單元結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)條件相同的情況下，正反插式紙漿模塑蜂窩板材相較于單層板材，其承載能力提升了1.11倍，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2）基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法安排的模擬試驗(yàn)方案，結(jié)合極限載荷、比吸能等評(píng)價(jià)指標(biāo)通過(guò)最少次數(shù)試驗(yàn)快速確定影響該板材承載能力和緩沖性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和最優(yōu)參數(shù)組合，以確保所使用板材的力學(xué)性能最佳，達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的目的。其中單元壁厚對(duì)板材承載性能的影響最大，中截面邊長(zhǎng)對(duì)板材緩沖性能的影響最大，因此在工藝條件允許的情況下，應(yīng)盡可能選擇較大的厚度來(lái)確保板材的承載性能最佳，選擇較小的中截面邊長(zhǎng)來(lái)保證板材具有較好的緩沖性能。板材承載性能和緩沖性能的最優(yōu)參數(shù)組合分別為4314和1234。

綜上，該正反插式紙漿模塑蜂窩板材具有緩沖性能良好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，最大程度縮短了紙漿模塑制品的設(shè)計(jì)周期，使紙漿模塑制品的生產(chǎn)制造實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)?；?，為推廣紙漿模塑制品結(jié)構(gòu)多樣化提供了理論基礎(chǔ)。

[1] 張新昌, 潘夢(mèng)潔, 林冬鳴. 基于ANSYS模擬分析的紙漿模塑單元結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J]. 包裝工程, 2007, 28(9): 11-13.

ZHANG Xin-chang, PAN Meng-jie, LIN Dong-ming. Research on Structural Parameters of Molded Pulp Unit Using ANSYS Simulation[J]. Packaging Engineering, 2007, 28(9): 11-13.

[2] 黃俊彥. 紙漿模塑生產(chǎn)實(shí)用技術(shù)（第二版）[J]. 數(shù)字印刷, 2021(3): 171.

HUANG Jun-yan. Practical Technology of Pulp Molding Production (Second Edition)[J]. Digital Printing, 2021(3): 171.

[3] 曹世普, 郭奕崇, 馬玉林. 紙漿模塑工業(yè)包裝制品緩沖機(jī)理研究及有限元模擬[J]. 中國(guó)包裝工業(yè), 2002(7): 34-37.

CAO Shi-pu, GUO Yi-chong, MA Yu-lin. Study on Buffering Mechanism and Finite Element Simulation of Pulp Molding Industrial Packaging Products[J]. China Packaging Industry, 2002(7): 34-37.

[4] 林冬鳴, 陳永銘, 張新昌. 紙漿模塑材料的彈黏塑性模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 中國(guó)造紙學(xué)報(bào), 2008, 23(2): 91-95.

LIN Dong-ming, CHEN Yong-ming, ZHANG Xin- chang. Nonlinear Elastic Viscoplastic Model of Molded Pulp Material and Its Experimental Verification[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2008, 23(2): 91-95.

[5] HUA Guang-jun, YANG Mao-teng, FEI Wei-min, et al. Poisson's Ratios of Molded Pulp Materials by Digital Image Correlation Method and Uniaxial Tensile Test[J]. Journal of Engineered Fibers and Fabrics, 2020, 15(4): 1-10.

[6] SHI Hong-jian, JI Hong-wei, YANG Guo-biao, et al. Shape and Deformation Measurement System by Combining Fringe Projection and Digital Image Correlation[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2013, 51(1): 47-53.

[7] 張海艷, 張紅杰, 程蕓, 等. 無(wú)氟有機(jī)硅乳液改善紙漿模塑包裝材料防水防油性能研究[J]. 中國(guó)造紙學(xué)報(bào), 2022, 37(3): 94-101.

ZHANG Hai-yan, ZHANG Hong-jie, CHENG Yun, et al. Study on Improving Water and Oil Resistance of Molded Pulp Packaging Materials with Organic Fluorine-Free Silicone Emulsion[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2022, 37(3): 94-101.

[8] HOFFMANN J. Compression and Cushioning Characteristics of Moulded Pulp Packaging[J]. John Wiley & Sons, Ltd, 2000, 13(5): 211-220.

[9] 杜江毅, 王章蘋(píng), 陳軼萌. 基于ANSYS的紙漿模塑制品緩沖性能的仿真分析[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 21(4): 121-123.

DU Jiang-yi, WANG Zhang-ping, CHEN Yi-meng. Applying the ANSYS Simulation to Study the Cushion Performance of Paper-Pulp on the Structural Unit[J]. Journal of Hubei University of Technology, 2006, 21(4): 121-123.

[10] GURAV S P, BEREZNITSKI A, HEIDWEILLER A, et al. Mechanical Properties of Paper-pulp Packaging[J]. Composites Science and Technology, 2003, 63(9): 1325-1334.

[11] WANG Zhang-ping, CAI You-xing, JING Yu-jie. Molded Pulp Material Structure Parameters on the Performance of the Buffer[J]. Energy Procedia, 2012, 17: 1872-1877.

[12] 冒銀彧, 紀(jì)玉梁, 顧玉祥, 等. 重載紙漿模塑制品的結(jié)構(gòu)及其承載性能分析[J]. 包裝工程, 2010, 31(19): 1-5.

MAO Yin-yu, JI Yu-liang, GU Yu-xiang, et al. Analysis of Structure and Load Carrying Properties of Heavy- Duty Molded Pulp[J]. Packaging Engineering, 2010, 31(19): 1-5.

[13] 周防國(guó), 袁東亮, 張新昌. 紙漿模塑制品單元結(jié)構(gòu)側(cè)壁周長(zhǎng)與承壓能力的關(guān)系[J]. 包裝工程, 2005, 26(4): 12-14.

ZHOU Fang-guo, YUAN Dong-liang, ZHANG Xin-chang. The Relationship between Side Perimeters and Carrying Capacity of the Unit Structure in Molded Pulp Product[J]. Packaging Engineering, 2005, 26(4): 12-14.

[14] 常江. 打印機(jī)緩沖包裝設(shè)計(jì)及力學(xué)性能仿真分析[J]. 包裝學(xué)報(bào), 2021, 13(5): 60-67.

CHANG Jiang. Cushioning Packaging Design and Mechanical Property Simulation Analysis of Printer[J]. Packaging Journal, 2021, 13(5): 60-67.

[15] JARUPAN L, HUNSA-UDOM R, BUMBUDSANPHAROKE N. Potential Use of Oil Palm Fronds for Papermaking and Application as Molded Pulp Trays for Fresh Product under Simulated Cold Chain Logistics[J]. Journal of Natural Fibers, 2021, 19(7): 1-13.

[16] BAHLAU J, LEE E. Designing Moulded Pulp Packaging Using a Topology Optimization and Superimpose Method[J]. Packaging Technology and Science, 2022, 35(5): 415-423.

[17] 王青春, 范子杰. 利用Ls-Dyna計(jì)算結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓潰的改進(jìn)方法[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2003, 25(3): 20-23.

WANG Qing-chun, FAN Zi-jie. Improvement in Analysis of Quasi-Static Collapse with ls-Dyna[J]. Mechanics in Engineering, 2003, 25(3): 20-23.

[18] 孫玉瑾, 孫德強(qiáng), 譚一, 等. EPE泡沫填充圓形紙蜂窩異面緩沖性能的試驗(yàn)研究[J]. 包裝工程, 2020, 41(13): 82-89.

SUN Yu-jin, SUN De-qiang, TAN Yi, et al. Experimental Study on the Out-of-Plane Cushioning Performance of Circular Paper Honeycomb Filled with EPE Foam[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(13): 82-89.

[19] HAO Peng, DU Jian-xun. Energy Absorption Characteristics of Bio-Inspired Honeycomb Column Thin-Walled Structure under Impact Loading[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2018, 79: 301-308.

[20] XIANG Jin-wu, DU Jian-xun. Energy Absorption Characteristics of Bio-Inspired Honeycomb Structure under Axial Impact Loading[J]. Materials Science and Engineering A, 2017, 696: 283-289.

[21] HU Da-yong, WANG Yong-zheng, SONG Bin, et al. Energy Absorption Characteristics of a Bionic Honeycomb Tubular Nested Structure Inspired by Bamboo Under Axial Crushing[J]. Composites Part B, 2019, 162: 21-32.

Cushioning Property of Pulp Molded Honeycomb Boards

LI Guo-zhi, ZHANG Mei-qi, SUN De-qiang*, ZHOU Jian-min, HE Xing-juan

(School of Light Industry and Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

The work aims todevelop a new general-purpose cushioning structure board to solve the bottleneck problems such as single core paper configuration and limited thickness of a single layer in honeycomb boards due to the limit of technological level. With molded pulp as raw material and hexagonal prism structure as an example, a honeycomb board was designed and processed by combining forward and reverse insertion method, and the finite element method was used for simulation to obtain key structural parameters and related optimal parameter combinations. The pulp molded board with forward and reverse insertion structure had good coupling effect. Its load carrying capacity was greatly improved compared with that of a single layer boards. The board performance was quantitatively analyzed by combining the evaluation indexes of ultimate load and specific energy absorption. The initial compressive load could reach a maximum of 73.7 kN, which met the load carrying requirements of heavy packaging apparatus such as trays. The effect of each structural parameter on the load carrying and cushioning property of the board was known by range and variance analysis. The study showed that the cell wall thickness and the edge length of the middle section had significant effect on the load carrying andcushioning property. The forward and reverse insertion structure solves the bottleneck problems of the existing paperhoneycomb material with limited height and thickness and single configuration, and improves the load carrying and cushioning property of the pulp molded honeycomb board, which can meet the heavy load requirements. The same design concept and research method can be used for other regular polygon tapered thin-walled tube cells.

molded pulp; honeycomb board; orthogonal experiment; load carrying property; cushioning property

TB484

A

1001-3563(2023)21-0086-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.011

2022-10-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51575327）；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目（16JS014）；陜西省教育廳陜西本科高校專業(yè)綜合改革試點(diǎn)子項(xiàng)目（陜教高[2014]16號(hào)）

通信作者

責(zé)任編輯：曾鈺嬋