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(diǎn)，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(lái)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(jī)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(guó)自八十年代初開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)紙漿模塑制品生產(chǎn)線，現(xiàn)已能自行設(shè)計(jì)和制造多種型號(hào)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(duì)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(guò)程的制定以及模具和成型機(jī)的設(shè)計(jì)上，對(duì)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(cè)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(duì)紙漿模塑包裝制品在使用過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題也不易做出準(zhǔn)確的判斷，使得制品和模具設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)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(lái)研究紙漿模塑制品的幾可結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響，從而為提高制品的設(shè)計(jì)水平做好前期工作。
2、紙漿模塑制品緩沖機(jī)理的探討
紙漿模塑制品保護(hù)被包裝物主要包括儲(chǔ)存、運(yùn)輸和裝卸三個(gè)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(dòng)和沖擊。
包裝制品對(duì)于被包裝物所起的作用主要有以下兩點(diǎn)：
1）延長(zhǎng)激烈作用時(shí)間以降低物品的最大作用力。
2）通過(guò)自身的變形最大限度地消耗或儲(chǔ)備外界傳入的能量。
工業(yè)包裝和紙漿模塑制品是通過(guò)自身的特殊結(jié)構(gòu)在受載時(shí)的變形來(lái)延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間、吸收外界能量，從而減少被包裝物受到?jīng)_擊和振動(dòng)的。它不同于泡沫塑料包裝制品的緩沖機(jī)理，因?yàn)橛冒l(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(gè)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(guò)自身的特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。
2) 由于被包裝制品結(jié)構(gòu)的多樣性,使得對(duì)整個(gè)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(jiàn)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(guò)相互串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成了整個(gè)緩沖包裝系統(tǒng)。
當(dāng)制品的某一處受到載荷時(shí)，由于紙漿模塑制品的材料強(qiáng)度相對(duì)低，此處的變形就會(huì)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(gè)，一方面它使得整個(gè)變形過(guò)程由各部分的變形相繼進(jìn)行，從而延長(zhǎng)了發(fā)生變形的時(shí)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(chǔ)備由各部分來(lái)共同承擔(dān)，避免了某一局部的過(guò)早破壞。這種通過(guò)包裝件在結(jié)構(gòu)上的極大變形，甚至是局部破壞來(lái)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(jī)理在日常生活是常見(jiàn)的，如試驗(yàn)用的汽車模型經(jīng)過(guò)猛烈撞擊后還能打開(kāi)車門，就是通過(guò)汽車前部的大變形來(lái)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(guò)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(jiǎn)介
有限元是一種模擬設(shè)計(jì)載荷條件，并確定在載荷條件下設(shè)計(jì)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(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似值來(lái)分片地表示全部求解區(qū)域上待定的未知，從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變?yōu)殡x散有限自由度問(wèn)題。通過(guò)求出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)的近似值得到整個(gè)求解區(qū)域上的近似值。由于單元中未知量個(gè)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(lái)分析實(shí)際問(wèn)題的一種軟件，它是在實(shí)施工種之前，先在計(jì)算機(jī)的虛擬空間建立工種的虛擬，一是用它來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際工程的性能，分析各各參數(shù)對(duì)性能的影響。通過(guò)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(lái)實(shí)施實(shí)際的工程。它克服了產(chǎn)品在市場(chǎng)化過(guò)程中面臨的一系列問(wèn)題，如經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)測(cè)手段帶來(lái)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(cè)試
建模之前，首先應(yīng)進(jìn)行材料力學(xué)性能測(cè)試。表征材料力學(xué)特性的經(jīng)典方法是采用表態(tài)或動(dòng)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(cè)量方法，通過(guò)萬(wàn)能材料拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)得出了紙漿模塑制品材料的應(yīng)力變曲線。
測(cè)試條件為： 拉伸速度為10mm/min
測(cè)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(duì)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(gè)應(yīng)力應(yīng)變曲線是可以由直線來(lái)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(shí)間變化。
強(qiáng)化準(zhǔn)則為各向同性強(qiáng)化理論，屈服準(zhǔn)則為Von Mises屈服準(zhǔn)則。 發(fā)生屈服時(shí)，塑性應(yīng)變發(fā)展的方向垂直于屈服面，遵循相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則。 由于在受載時(shí)，制品的變形比較大，而且材料變形范圍超過(guò)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(diǎn)。
載荷：大小為80000Pa的均勻分布?jí)毫?。壓力作用表面為a面。
邊界條件：底面的所有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度都已被限制住，側(cè)面Y方向的平動(dòng)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(guò)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(shuō)明了紙漿模塑制品中的各種緩沖結(jié)構(gòu)在承受載荷過(guò)程中起到了非常重要的作用。從而驗(yàn)證了上述的關(guān)于紙漿模塑制品緩沖機(jī)理的正確，即結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)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(jiǎn)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(jì)更加合理。
5、 結(jié)束語(yǔ)
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(jì)準(zhǔn)則是不夠的，還應(yīng)考慮流通過(guò)程中的振動(dòng)沖擊對(duì)其性能的影響，因此有必要對(duì)紙漿模塑制品進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的分析和模擬，以確定它的動(dòng)力學(xué)性能。另外，還沒(méi)有考慮溫度、濕度等因素對(duì)材料性能的影響，也沒(méi)有考慮被包裝物和外包裝箱對(duì)包裝系統(tǒng)的影響問(wèn)題。盡管如此，利用有限元方法對(duì)紙漿模塑工業(yè)包裝制品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析必將推動(dòng)制品和模具設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)步，這對(duì)我國(guó)紙漿模塑包裝工業(yè)的發(fā)展具有積極的意義。
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