【利用有限元分析軟件，針對紙漿模塑典型結(jié)構(gòu)單元建立系統(tǒng)力學(xué)分析模型，以紙漿模塑緩沖結(jié)構(gòu)單元的靜態(tài)壓縮曲線為基礎(chǔ)，研究了緩沖包裝結(jié)構(gòu)緩沖高度對緩沖性能的影響。研究結(jié)果，為緩沖包系統(tǒng)的設(shè)計提供一定參考?！?nbsp;
1．概述
在物流系統(tǒng)中，產(chǎn)品的緩沖包裝越來越受到人們的關(guān)注。緩沖包裝主要是研究產(chǎn)品在流通過程中發(fā)生破損的機(jī)理，以及避免破損應(yīng)該采取的對策?，F(xiàn)代緩沖包裝技術(shù)的發(fā)展集中于對流通環(huán)境、緩沖包裝材料及緩沖包裝設(shè)計理論的研究上。適度的緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該是有良好的保護(hù)性以及成本低的防震緩沖結(jié)構(gòu)。
基于紙漿模塑材料的緩沖包裝結(jié)構(gòu)的特性并不與傳統(tǒng)材料完全相同，所以相應(yīng)的設(shè)計重點(diǎn)就放在以緩沖結(jié)構(gòu)充當(dāng)緩沖墊的設(shè)計上。為了弄清復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)的緩沖性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，將復(fù)雜紙漿模塑組合結(jié)構(gòu)分解為常見的結(jié)構(gòu)單元形式來研究，可以揭示基本單元的緩沖性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，為研究復(fù)雜組合提供研究基礎(chǔ)。
本文主要研究了靜態(tài)載荷作用下的紙漿模塑典型單元緩沖高度參數(shù)的載荷----變形曲線，并據(jù)此為優(yōu)化紙漿模塑緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了建議。
2．幾何模型的建立及求解思想
2.1幾何模型的實(shí)現(xiàn)
實(shí)驗(yàn)所選用的結(jié)構(gòu)單元分別是相同材料的肋型、桶型和臺階型三種[1]。在ANSYS分析軟件中，為了使所構(gòu)建的模型能充分反映紙漿模塑材料的特點(diǎn)，選用了雙線性運(yùn)動增強(qiáng)型為研究對象，其參數(shù)經(jīng)過測試后設(shè)定為：楊氏模量：150Mpa ；泊松比：0.3 ；屈服極限：0.075Mpa；剪切模量：10Mpa。
2.2 有限元模型的求解思想
有限元法的思想是“化整為零，集零為整”，它將模型劃分成連續(xù)的單元網(wǎng)格，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，單元內(nèi)部的待求量可由節(jié)點(diǎn)之間通過選定的函數(shù)關(guān)系插值求得，簡單的單元形狀易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)之間的方程，給定邊界條件便可求解，單元劃分的越細(xì)，計算結(jié)果越精確[2]。
3． 典型結(jié)構(gòu)單元的斜度參數(shù)和緩沖性能的關(guān)系研究
3.1 肋型單元的緩沖高度對模型抗壓強(qiáng)度的影響
選用模型為上表面是30mm30mm，幾何斜度為及的肋形模型（見圖1(a)）。其緩沖高度變化范圍從10mm到150mm。
從圖2中可以看出當(dāng)單元模型的周邊長度固定時，隨著紙箱高度的增加，抗壓強(qiáng)度會逐漸的降低。當(dāng)高度從10mm升到30mm時，抗壓強(qiáng)度降低的較為明顯，大約為50%~~60%，當(dāng)高度超過30mm后，抗壓強(qiáng)度并不隨高度的增加而繼續(xù)明顯的變化。
3.2 桶型單元的緩沖高度對模型抗壓強(qiáng)度的影響
在本例中選擇的為底面半徑為R=15mm，高度為H=20mm模型（如圖1（b）所示）。在討論桶型單元緩沖高度對抗壓強(qiáng)度的影響時，其拔模斜度設(shè)定為6度，在其它的參數(shù)保持不變，只改變其緩沖高度時，模型承受的最大應(yīng)力的情況如表2所示：
從以上的分析中可以看到，盡管緩沖高度在以2mm的速度發(fā)生著改變，但其受力能力卻發(fā)生著很大的變化。這一方面與其接觸邊長有一定的關(guān)系，更主要是與結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性有關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定時，若受力越接近底部，其承載力越大，即其結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。
3.3 臺階型單元的拔模斜度對模型抗壓強(qiáng)度的影響
本例中采用圖1-（d）的臺階型，其截面分隔高度的上下兩部分之比是3:1，即指靠近開口的那一部分與靠近底面的部分的高度比為3:1。
從表3中可以看出，當(dāng)緩沖高度增加時，其抗壓能力在逐漸下降，當(dāng)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定時，若受力越接近底部，其承載力越大，即其結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。
4．分析與結(jié)論
通過對紙漿模塑緩沖結(jié)構(gòu)單元靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)的研究，可以得到以下結(jié)論：
隨著各類典型單元的緩沖高度的增加，抗壓強(qiáng)度會逐漸的降低。緩沖結(jié)構(gòu)體緩沖高度超過一定的極限值后，緩沖能力的變化并不明顯。當(dāng)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定時，若受力越接近底部，其承載力越大，即其結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。
可見，紙漿模塑緩沖結(jié)構(gòu)單元的抗壓強(qiáng)度與單元的緩沖高度有著密切的聯(lián)系，在進(jìn)行實(shí)際的緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)綜合考慮多方面的因素，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的緩沖包裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
作者/張業(yè)鵬
來源：中國包裝
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