紙漿模塑工業(yè)包裝制品由于具有良好的防震、質(zhì)輕、易分解、透氣性好、易回收再利用等特點，在某些領(lǐng)域已成為發(fā)泡塑料包裝制品的替代品，并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
1、紙漿模塑包裝工業(yè)現(xiàn)狀
紙漿模塑制品以廢棄紙張為主要原料，先將其放在水中利用機械或水力攪拌產(chǎn)生的剪切力將廢紙攪碎，然后用帶金屬網(wǎng)的模具脫水成型，再經(jīng)干燥、熱整形等工序得到最終制品。我國自八十年代初開始從國外引進(jìn)紙漿模塑制品生產(chǎn)線，現(xiàn)已能自行設(shè)計和制造多種型號的紙漿模塑制品專用設(shè)備。目前已有數(shù)百家紙漿模塑制品生產(chǎn)企業(yè)，被包裝物涉及農(nóng)副產(chǎn)品、電子產(chǎn)品、食品和小型產(chǎn)品等。由于對紙漿模塑制品生產(chǎn)的應(yīng)用研究主要集中在紙漿模塑制品生產(chǎn)工藝過程的制定以及模具和成型機的設(shè)計上，對制品緩沖性能的分析較少，大多是停留在紙漿模塑制品的某一種緩沖結(jié)構(gòu)或制品的某一局部結(jié)構(gòu)的性能分析上，不能較準(zhǔn)確地預(yù)測包裝是否滿足耐靜壓、抗震、緩沖以及保護(hù)被包裝物的要求，而且對紙漿模塑包裝制品在使用過程中所出現(xiàn)的問題也不易做出準(zhǔn)確的判斷，使得制品和模具設(shè)計具有較大的盲目性。
本文首先從被包裝件流通環(huán)境分析入手，在對紙漿模塑制品材料的力學(xué)性能、制品形狀和所受載荷分析的基礎(chǔ)上，探討紙漿模塑制品的緩沖機理，然后建立紙漿模塑制品的力學(xué)模型，并利用有限單元法來研究紙漿模塑制品的幾可結(jié)構(gòu)對其性能的影響，從而為提高制品的設(shè)計水平做好前期工作。
2、紙漿模塑制品緩沖機理的探討
紙漿模塑制品保護(hù)被包裝物主要包括儲存、運輸和裝卸三個環(huán)節(jié)。在這些環(huán)節(jié)所受到的載荷是導(dǎo)致被包裝物破損的主要原因，其中主要包括靜壓、振動和沖擊。
包裝制品對于被包裝物所起的作用主要有以下兩點：
1）延長激烈作用時間以降低物品的最大作用力。
2）通過自身的變形最大限度地消耗或儲備外界傳入的能量。
工業(yè)包裝和紙漿模塑制品是通過自身的特殊結(jié)構(gòu)在受載時的變形來延長響應(yīng)時間、吸收外界能量，從而減少被包裝物受到?jīng)_擊和振動的。它不同于泡沫塑料包裝制品的緩沖機理，因為用發(fā)泡材料的制品，由于材料內(nèi)部發(fā)布著大量可壓縮的泡孔，不論制品為何種形狀，它都具有較好的緩沖性能。假如用紙漿模塑材料和泡沫塑料分別鋪一個大平面，顯然前者是不能緩沖的，而后者卻可以，因此：
1）紙漿模塑制品緩沖是通過自身的特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。
2) 由于被包裝制品結(jié)構(gòu)的多樣性,使得對整個紙漿模塑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較困難，故可以用積木式的結(jié)構(gòu)分析方法，將整體分解為各種局部的緩沖結(jié)構(gòu)。如有些學(xué)者將其分為四種常見的結(jié)構(gòu)：肋狀、塔狀、座狀和椅狀。
3）各種緩沖結(jié)構(gòu)并不是孤立的，眾多緩沖結(jié)構(gòu)之間通過相互串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成了整個緩沖包裝系統(tǒng)。
當(dāng)制品的某一處受到載荷時，由于紙漿模塑制品的材料強度相對低，此處的變形就會導(dǎo)致周圍區(qū)域也發(fā)生較大的變形，然后周圍區(qū)域的變形又使更遠(yuǎn)的部位發(fā)生較大的變形，這樣就將外加能量分散到周圍，由各部分共同承擔(dān)。這樣的好處有兩個，一方面它使得整個變形過程由各部分的變形相繼進(jìn)行，從而延長了發(fā)生變形的時間，降低最大作用和和最大加速度，保護(hù)了制品；另一方面使得能量的消耗或儲備由各部分來共同承擔(dān)，避免了某一局部的過早破壞。這種通過包裝件在結(jié)構(gòu)上的極大變形，甚至是局部破壞來有效地減小最大作用力和消耗能量的方式可稱為結(jié)構(gòu)緩沖。結(jié)構(gòu)緩沖機理在日常生活是常見的，如試驗用的汽車模型經(jīng)過猛烈撞擊后還能打開車門，就是通過汽車前部的大變形來消耗能量，從而保護(hù)其它部分。
3、紙漿模塑工業(yè)包裝制品力學(xué)模型的建立和求解
本文研究紙漿模塑制品在靜載下的受力情況。首先建立物理模型，然后利用有限元法求解，以得出模型的響應(yīng)，如應(yīng)力的分布和各部分的變形。在此過程中也可以反復(fù)地改變模型的厚度，甚至是幾何結(jié)構(gòu)，以便于進(jìn)行比較和講座。
3.1有限元方法簡介
有限元是一種模擬設(shè)計載荷條件，并確定在載荷條件下設(shè)計響應(yīng)的方法?；舅枷胧菍⑦B續(xù)的求解區(qū)域離散為有限的且按一定方式相互連接在一起的單元，利用在每個單元內(nèi)假設(shè)的近似值來分片地表示全部求解區(qū)域上待定的未知，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變?yōu)殡x散有限自由度問題。通過求出各個單元內(nèi)場的近似值得到整個求解區(qū)域上的近似值。由于單元中未知量個數(shù)是有限的，稱為有限單元。ANSYS軟件是利用有限單元法原理來分析實際問題的一種軟件，它是在實施工種之前，先在計算機的虛擬空間建立工種的虛擬，一是用它來預(yù)測實際工程的性能，分析各各參數(shù)對性能的影響。通過反復(fù)調(diào)整參數(shù)以使工程性能最佳化，在此基礎(chǔ)上再來實施實際的工程。它克服了產(chǎn)品在市場化過程中面臨的一系列問題，如經(jīng)驗設(shè)計、實測手段帶來的誤差，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益，減少了研究周期，降低了成本。
3.2材料性能測試
建模之前，首先應(yīng)進(jìn)行材料力學(xué)性能測試。表征材料力學(xué)特性的經(jīng)典方法是采用表態(tài)或動態(tài)應(yīng)力－應(yīng)變曲線。本文在參考GB／T12914－1991紙和紙板抗?jié)櫠葴y量方法，通過萬能材料拉伸實驗機得出了紙漿模塑制品材料的應(yīng)力變曲線。
測試條件為： 拉伸速度為10mm/min
測量溫度常溫20攝氏度，濕度為50％，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。樣條在制品上取料。
3.3建立紙漿模塑制品在靜壓下的有限元模型
基本假設(shè)：
1）材料是各向同性的，同一制品各部分的材料性能相同。
2）模型建立在常溫、常壓下，濕度為45％。不考慮由于溫度、濕度和壓力的改變對材料性能指標(biāo)的影響。
3）材料為塑性的，其應(yīng)力應(yīng)變曲線可由多段直線表示。第一段為彈性斜率為Et，以后各段都為塑性階段。只要直線目足夠多，整個應(yīng)力應(yīng)變曲線是可以由直線來近似表示的。
4）假設(shè)地面和包裝箱為剛性的。
5）靜壓力為分布力，大小不隨時間變化。
強化準(zhǔn)則為各向同性強化理論，屈服準(zhǔn)則為Von Mises屈服準(zhǔn)則。 發(fā)生屈服時，塑性應(yīng)變發(fā)展的方向垂直于屈服面，遵循相關(guān)流動準(zhǔn)則。 由于在受載時，制品的變形比較大，而且材料變形范圍超過了彈性階段，發(fā)生了塑性變形，故模型表現(xiàn)為幾何非線性和材料非線性特點。
載荷：大小為80000Pa的均勻分布壓力。壓力作用表面為a面。
邊界條件：底面的所有平動和轉(zhuǎn)動自由度都已被限制住，側(cè)面Y方向的平動自由度也被限制住。
4、網(wǎng)格劃分：采用殼單元，智能網(wǎng)格劃分。
1）雖然紙漿模塑制品的厚度均勻，材料各向同性，但各處的應(yīng)力卻偏差很大。
2）通過觀察云圖的應(yīng)力分布，可以看出，由于制品各處的材料性能相同，這就說明了紙漿模塑制品中的各種緩沖結(jié)構(gòu)在承受載荷過程中起到了非常重要的作用。從而驗證了上述的關(guān)于紙漿模塑制品緩沖機理的正確，即結(jié)構(gòu)對紙漿模塑制品的緩沖性能起主要作用。
3）在基于制品應(yīng)力應(yīng)變總體分布認(rèn)識的前題下，我們可以改進(jìn)制品的結(jié)構(gòu)，使它各部分的應(yīng)力趨于均勻?？梢栽囍趹?yīng)力比較小的地方減少緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)目，簡化結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力大的地方增加緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)目，從而使制品及模具的設(shè)計更加合理。
5、 結(jié)束語
本文的分析工作是初步的，模型只考慮了紙漿模塑制品在靜載苛下的響應(yīng)情況，僅依靠這些作為包裝設(shè)計準(zhǔn)則是不夠的，還應(yīng)考慮流通過程中的振動沖擊對其性能的影響，因此有必要對紙漿模塑制品進(jìn)行動力學(xué)的分析和模擬，以確定它的動力學(xué)性能。另外，還沒有考慮溫度、濕度等因素對材料性能的影響，也沒有考慮被包裝物和外包裝箱對包裝系統(tǒng)的影響問題。盡管如此，利用有限元方法對紙漿模塑工業(yè)包裝制品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析必將推動制品和模具設(shè)計的技術(shù)進(jìn)步，這對我國紙漿模塑包裝工業(yè)的發(fā)展具有積極的意義。
來源:《中國環(huán)保餐具網(wǎng)》
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