[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)定性研究和動態(tài)緩沖性能研究兩方面。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，強度高，承重大，成本低，易回收處理等優(yōu)點，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。缺點是蜂窩紙箱不可折疊，生產(chǎn)自動化程度低。下面把瓦楞紙板和蜂窩紙板統(tǒng)稱為復(fù)合紙板。

包裝容器的強度是保護產(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，從而達到節(jié)省財力和資源的目的。

1 回顧

目前對復(fù)合紙板的研究主要集中在兩個方面。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)外文獻從兩個角度對此進行了研究。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。同時利用兩種試驗方法針對五種不同型號的瓦楞紙板的主方向上的橫向剪切模量進行了測量，并與有限元方法和分析方法所得的結(jié)果進行比較，目的是為設(shè)計者提供加工過程對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)試驗做起，在這里，以往經(jīng)驗的假設(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)的有限元模型的計算對比，zui后獲得某型號箱體的軸向屈曲載荷。作者zui終的目的是要對瓦楞紙板的設(shè)計提出一種優(yōu)化方法，所以他要精細(xì)地研究各個參量對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)合紙板的實驗研究。

紙板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面的研究也分為兩個部分，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，還與試驗以及有限元分析的結(jié)果進行了對比。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，通過實驗給出了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)壓縮特性的試驗研究。孫亞平””等利用試驗對瓦楞紙板的平壓性能進行了研究，并且研究了孔徑比和蜂窩板高度等參數(shù)對屈曲軸向壓力的影響。孫亞平等““把蜂窩紙板的軸向屈曲簡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)壓強度為屈服強度，得到計算蜂窩紙板的軸向屈曲的公式，并結(jié)合試驗，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)計方法不合理，試驗結(jié)果也顯示傳統(tǒng)的設(shè)計方法提供的結(jié)果過于保守，作者通過實驗觀察提出一種新的預(yù)測面內(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)所滿足的微觀對稱分叉條件。

理論的結(jié)果符合以前試驗所觀察到的失穩(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；中擊試驗和振動試驗，研究了4種不同厚度的蜂窩紙板的緩沖防振性能，獲得了動態(tài)緩沖曲線的經(jīng)驗公式及其特征系數(shù)，振動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，毛中彥針對不同厚度的蜂窩紙板在正弦變頻振動測試中的加速度傳遞，繪制其不同衰減系數(shù)的振動傳遞率曲線。郭彥峰，張景繪，許文才，潘松年針對不同厚度的蜂窩紙板在正弦變頻振動測試中的加速度傳遞，繪制其不同衰減系數(shù)的振動傳遞率曲線。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，試驗檢測這種介質(zhì)的在不同頻率和不同應(yīng)變條件下的動態(tài)響應(yīng)，同時給出了有限元數(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，并與實驗結(jié)果進行了對比。Chung J．和WaasAM針對汽車工業(yè)中障礙欄在高速機車的沖擊下，蜂窩型結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)以及能量吸收的研究，目的是設(shè)計穩(wěn)定性強的，耐試驗的圓形單元蜂窩結(jié)構(gòu)，用以檢測汽車的防撞性能。作者在這兩篇文獻中分別利用試驗方法和3D有限元方法對這一蜂窩防護結(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)系進行了研究，作者的有限元模型與試驗結(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態(tài)特性。

總結(jié)對于國內(nèi)外的研究狀況，瓦楞紙板的靜態(tài)研究相對成熟，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)的實驗研究相對比較多，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，這些對我們研究復(fù)合紙板會有所幫助。

3 今后的研究任務(wù)

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

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)值或者試驗的方法進行復(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)果和試驗結(jié)果進行比較，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)計方法。
2）復(fù)合紙板動力學(xué)緩沖性能的研究。主要研究蜂窩紙板在外激振動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。要通過實驗的方法精細(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)。并與試驗研究進行對比。利用有限元的計算結(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)定性研究和動態(tài)緩沖性能研究兩方面。并提出了今后的研究任務(wù)和方向。