[摘要] 本文回顧了國內(nèi)外瓦楞紙板和蜂窩紙板力學(xué)性能的研究狀況。認(rèn)為復(fù)合紙板的力學(xué)性能研究主要集中在靜態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究和動(dòng)態(tài)緩沖性能研究?jī)煞矫?。文章的zui后提出了今后的研究任務(wù)和方向。

關(guān)鍵詞：瓦楞紙板；蜂窩紙板；屈曲

蜂窩紙板是一種新型的環(huán)保包裝緩沖材料，由紙質(zhì)蜂窩夾層板組成，具有較高的耐壓和較好的緩：中性能，以及保溫、隔熱及隔聲性能，而且重量輕，強(qiáng)度高，承重大，成本低，易回收處理等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。主要用作包裝紙箱、包裝緩沖墊，以及托盤等等，應(yīng)用于電子電工產(chǎn)品、精密儀器、家用電器等產(chǎn)品的包裝，可以代替木質(zhì)包裝材料。經(jīng)過特殊處理后能夠阻燃、防潮，防水、防霉以及防靜電作用。缺點(diǎn)是蜂窩紙箱不可折疊，生產(chǎn)自動(dòng)化程度低。下面把瓦楞紙板和蜂窩紙板統(tǒng)稱為復(fù)合紙板。

包裝容器的強(qiáng)度是保護(hù)產(chǎn)品不受破壞的關(guān)鍵性因素。研究復(fù)合紙板的力學(xué)性能，優(yōu)化包裝容器的結(jié)構(gòu)參數(shù)是非常必要的工作，從而達(dá)到節(jié)省財(cái)力和資源的目的。

1 回顧

目前對(duì)復(fù)合紙板的研究主要集中在兩個(gè)方面。一是材料力學(xué)性能的研究，另一方面是結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究。

材料力學(xué)性能是研究復(fù)合紙板的基礎(chǔ)。國內(nèi)外文獻(xiàn)從兩個(gè)角度對(duì)此進(jìn)行了研究。一是研究復(fù)合紙板的芯紙和面紙的力學(xué)性能，研究紙的彈性模量以及剪切模量等本構(gòu)關(guān)系，這是一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究。另一方面是把復(fù)合紙板作為一種復(fù)合材料來進(jìn)行研究。研究單元紙板材料各方向的剛度特性，這種研究要建立在前一種材料研究的基礎(chǔ)之上。這方面有Tomas Nord-stand等的瓦楞紙復(fù)合板的研究。他把瓦楞紙板作為一種正交各向異性的復(fù)合材料，通過有限元法或者材料力學(xué)的方法獲得單元紙板各方向上剛度。同時(shí)利用兩種試驗(yàn)方法針對(duì)五種不同型號(hào)的瓦楞紙板的主方向上的橫向剪切模量進(jìn)行了測(cè)量，并與有限元方法和分析方法所得的結(jié)果進(jìn)行比較，目的是為設(shè)計(jì)者提供加工過程對(duì)瓦楞紙板橫向剪切剛度的影響。而M．E．Biancolini and C．Brutti更是從zui基本的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)做起，在這里，以往經(jīng)驗(yàn)的假設(shè)被瓦楞紙板力學(xué)和微觀力學(xué)性質(zhì)所代替，通過精細(xì)的有限元模型的計(jì)算對(duì)比，zui后獲得某型號(hào)箱體的軸向屈曲載荷。作者zui終的目的是要對(duì)瓦楞紙板的設(shè)計(jì)提出一種優(yōu)化方法，所以他要精細(xì)地研究各個(gè)參量對(duì)紙板箱屈曲載荷的影響。國內(nèi)還有熊宏智，耿敏等人的復(fù)合紙板的實(shí)驗(yàn)研究。

紙板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面的研究也分為兩個(gè)部分，一部分是靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)內(nèi)容的研究，主要是蜂窩紙板作為一種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定特性，比如屈曲和后屈曲，屈曲是針對(duì)線彈性材料，而材料或者結(jié)構(gòu)的性質(zhì)往往呈現(xiàn)出非線性的特性，或者結(jié)構(gòu)在屈曲后還能承受一定的載荷，直至壓潰，這就需要后屈曲的研究。作為包裝用的紙箱或是襯墊的屈曲主要應(yīng)用于計(jì)算貨物堆碼等方面。這方面有Tomas Nordstand等在上述復(fù)合材料研究基礎(chǔ)上給出瓦楞紙板的屈曲和后屈曲的分析方法，還與試驗(yàn)以及有限元分析的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。M．E．Biancolini在上述復(fù)合材料研究基礎(chǔ)上zui終獲得紙板箱體的屈曲。郭彥峰，許文才和王梅蜂窩紙板緩沖性能的研究，通過實(shí)驗(yàn)給出了4種不同厚度蜂窩紙板的橫向靜壓曲線，說明蜂窩紙板在壓潰的過程中分為彈性階段，緩慢彈性階段以及塑性變形階段，并給出了彈簧阻尼器的等效彈簧阻尼器模型。張安寧…等不同速率下蜂窩紙板靜態(tài)壓縮特性的試驗(yàn)研究。孫亞平””等利用試驗(yàn)對(duì)瓦楞紙板的平壓性能進(jìn)行了研究，并且研究了孔徑比和蜂窩板高度等參數(shù)對(duì)屈曲軸向壓力的影響。孫亞平等““把蜂窩紙板的軸向屈曲簡(jiǎn)化等效為方形薄板的屈曲問題，利用平板的大撓度變形理論，以環(huán)壓強(qiáng)度為屈服強(qiáng)度，得到計(jì)算蜂窩紙板的軸向屈曲的公式，并結(jié)合試驗(yàn)，認(rèn)為這種理論得到的結(jié)果比彈性屈曲理論得到的結(jié)果更符合試驗(yàn)結(jié)果。國外蜂窩結(jié)構(gòu)的研究集中在航天航空以及汽車工業(yè)領(lǐng)域，材料一般是金屬的（鋁），主要是板內(nèi)側(cè)壓屈曲載荷研究。Ole Thybo Thomsen等指出對(duì)于蜂窩型板結(jié)構(gòu)，在局部單元內(nèi)部面內(nèi)載荷屈曲的情況下，作者認(rèn)為以前的局部邊界條件已經(jīng)不適用，這種設(shè)計(jì)方法不合理，試驗(yàn)結(jié)果也顯示傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法提供的結(jié)果過于保守，作者通過實(shí)驗(yàn)觀察提出一種新的預(yù)測(cè)面內(nèi)載荷屈曲的方法，專門用于單元內(nèi)部屈曲這種情況。鑒于蜂窩結(jié)構(gòu)是周期性結(jié)構(gòu)，N．Ohno，D．okumur和U．NoguehiL建立起蜂窩結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)時(shí)Lagrangian形式的有限變形均質(zhì)化理論，并且在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上給出局部失穩(wěn)所滿足的微觀對(duì)稱分叉條件。

理論的結(jié)果符合以前試驗(yàn)所觀察到的失穩(wěn)模態(tài)，這種模態(tài)利用以往的理論不能闡明。Stein A． Berggren等論述了方形蜂窩結(jié)構(gòu)作為復(fù)合結(jié)構(gòu)的面內(nèi)剛度性質(zhì)的理論，基于此種理論然后使用有限元方法用以優(yōu)化方形網(wǎng)格的棱柱方位。

復(fù)合板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的另一部分是動(dòng)力學(xué)方面的研究，主要應(yīng)用于防振，防沖擊等方面。郭彥峰，張景繪基于跌落；中擊試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，研究了4種不同厚度的蜂窩紙板的緩沖防振性能，獲得了動(dòng)態(tài)緩沖曲線的經(jīng)驗(yàn)公式及其特征系數(shù)，振動(dòng)傳遞率曲線的峰值頻率、傳遞率及阻尼比，為蜂窩紙板在緩沖防振包裝中的推廣應(yīng)用提供了基本數(shù)據(jù)。張峻嶺，毛中彥針對(duì)不同厚度的蜂窩紙板在正弦變頻振動(dòng)測(cè)試中的加速度傳遞，繪制其不同衰減系數(shù)的振動(dòng)傳遞率曲線。郭彥峰，張景繪，許文才，潘松年針對(duì)不同厚度的蜂窩紙板在正弦變頻振動(dòng)測(cè)試中的加速度傳遞，繪制其不同衰減系數(shù)的振動(dòng)傳遞率曲線。國外作為包裝復(fù)合紙板的研究比較缺乏，但是蜂窩結(jié)構(gòu)的研究卻很多。Woo-Young Jung，Amjad J．Aref介紹了一種新型的防震系統(tǒng)，由蜂窩結(jié)構(gòu)聚合物和固體填充物組成，試驗(yàn)檢測(cè)這種介質(zhì)的在不同頻率和不同應(yīng)變條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)給出了有限元數(shù)值模型，這種模型考慮了不同溫度和不同輸入頻率的影響，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。Chung J．和WaasAM針對(duì)汽車工業(yè)中障礙欄在高速機(jī)車的沖擊下，蜂窩型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及能量吸收的研究，目的是設(shè)計(jì)穩(wěn)定性強(qiáng)的，耐試驗(yàn)的圓形單元蜂窩結(jié)構(gòu)，用以檢測(cè)汽車的防撞性能。作者在這兩篇文獻(xiàn)中分別利用試驗(yàn)方法和3D有限元方法對(duì)這一蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)屈曲載荷和在高速撞擊下的壓潰變形，能量吸收與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究，作者的有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。A．Honig，和W．J．Stronge研究了高速；中擊下壓縮波對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)壓潰的影響。T．Saitoetc．為了研究鋁質(zhì)蜂窩紙板的振動(dòng)和噪聲特性，把一單元的蜂窩紙板處理成正交異性的鐵摩辛可梁，利用兩種優(yōu)化的方法得到單元的剛性，然后利用有限元的方法研究蜂窩鋁板的動(dòng)態(tài)特性。

總結(jié)對(duì)于國內(nèi)外的研究狀況，瓦楞紙板的靜態(tài)研究相對(duì)成熟，但是利用參數(shù)化研究，zui終提出屈曲的優(yōu)化方法還比較缺乏。蜂窩紙板國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)比較多，面內(nèi)側(cè)壓的研究還沒涉及，而國外的研究主要是蜂窩結(jié)構(gòu)在航空航天，汽車工業(yè)以及防震等領(lǐng)域的應(yīng)用，缺乏作為包裝材料的蜂窩紙板研究，這些對(duì)我們研究復(fù)合紙板會(huì)有所幫助。

3 今后的研究任務(wù)

復(fù)合紙板將來的研究主要從試驗(yàn)，數(shù)值計(jì)算以及理論分析這3個(gè)手段入手，解決以下兩個(gè)方面的問題：

1）復(fù)合紙板靜力學(xué)穩(wěn)定性問題的研究。試驗(yàn)獲得復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系，利用數(shù)值或者試驗(yàn)的方法進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)的參數(shù)化研究，建立起瓦楞紙板和蜂窩紙板局部屈曲和整體屈曲的理論體系，提出后屈曲的理論模型，并且把理論結(jié)果與有限元的數(shù)值分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，從而保證理論模型的合理性。根據(jù)屈曲理論提出瓦楞紙板和蜂窩紙板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
2）復(fù)合紙板動(dòng)力學(xué)緩沖性能的研究。主要研究蜂窩紙板在外激振動(dòng)或者是沖擊下的響應(yīng)。由于紙是一種粘彈性材料，材料結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本構(gòu)關(guān)系一般處理為沿著纖維方向和垂直纖維方向的正交異性材料。要通過實(shí)驗(yàn)的方法精細(xì)地獲得紙的應(yīng)力應(yīng)變曲線。然后建立起蜂窩紙板的有限元模型，研究其在不同頻率的正弦激勵(lì)條件下的0向應(yīng)以及加速度傳遞，繪制其不同衰減系數(shù)。并與試驗(yàn)研究進(jìn)行對(duì)比。利用有限元的計(jì)算結(jié)果擬合蜂窩紙板緩沖性能的彈簧阻尼模型，建立起蜂窩紙板結(jié)構(gòu)參數(shù)和彈簧阻尼模型各參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，以便于工程實(shí)際的應(yīng)用。

3 結(jié) 語

本文全面回顧了國內(nèi)外瓦楞紙板和蜂窩紙板力學(xué)性能的研究狀況。認(rèn)為復(fù)合紙板的力學(xué)性能研究主要集中在靜態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究和動(dòng)態(tài)緩沖性能研究?jī)煞矫?。并提出了今后的研究任?wù)和方向。