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1、蜂窝纸结构与性能的研究学生姓名： 指导教师：（浙江科技学院轻工学院）摘 要：当前，包装领域大力提倡“以纸代塑，以纸代木”，蜂窝纸板以其重量轻、用料少、成本低、强度高、缓冲性能好、吸音隔热、便于回收利用的特点使这种绿色环保材料逐步成为一种新型的绿色包装材料。本文在对蜂窝纸板结构性能理论研究的基础上，不同于前人大多用ANSYS软件进行有限元分析，而通过功能强大的建模仿真软件Solidworks对蜂窝纸板建模仿真，并通过Solidworks插件Simulation，对蜂窝芯的力学性能进行有限元分析。因此，可在力学参数方面获得更准确的数据，进一步验证前人理论公式的可行性。关键词：蜂窝纸；结构性能；建模
2、仿真；有限元分析The Structure and Properties of the Honeycomb Paper ResearchStudent s name: Li Dai Advisor: Zhiguo Zhang （School of Light Industry Zhejiang University of Science and Technology）Abstract: Currently,the packaging field energetically advocate Paper instead of plastic，Paper instead of wood .The
3、honeycomb cardboard which is a green environmental protection material is gradually becoming a new type of green packaging materials,for its characteristics of light weight,materials less, low cost, high strength, good buffer performance , sound-absorbing, heat insolation, easily recycled. In this p
4、aper, on the basis of theoretical study of the honeycomb cardboard structure performance, use the powerful modeling simulation softwaresolidworks to modle the honeycomb paperboard and use the plug-insSimulation to do finite element analysis for the mechanical properties of the honeycomb core. As a r
5、esult，obtain more accurate data in mechanical parameters and further validate feasibility of predecessors theoretical formula.Keywords：Honeycomb Paper; Structure and Properties ;Modeling Simulation Finite Element Analysis 目 录摘要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1本课题研究背景11.1.1蜂窝纸板发展概述11.1.2 蜂窝纸板的应用领域及存在问题1 1.2 国
6、内外蜂窝纸板研究概况21.3 本课题研究内容和意义22 蜂窝纸板结构与性能理论研究42.1 结构理论42.1.1 各向同性夹芯夹层板理论42.1.2 正交各向异性理论52.2 影响蜂窝纸板性能的因素52.2.1 原材料质量指标52.3 孔径比对平压强度的影响93 基于SOLIDWORKS的蜂窝纸有限元分析113.1 SOLIDWORKS SIMULATION 有限元分析步骤113.1.1 建立几何模型113.1.2 创建一个算例113.1.3 指定材料113.1.3定义边界条件（约束和载荷）123.1.4 划分网格123.1.5 查看结果和评估123.2 材料参数和建模确定123.2.1 材料
7、确定123.2.2 建模尺寸和方案确定133.3 单个蜂窝芯性能比较143.3.1不同边长蜂窝芯比较143.3.2 不同高度的蜂窝芯比较183.3.3 蜂窝芯边长与高度比的猜想203.3.4 不同孔径比的蜂窝芯比较204 多个蜂窝芯有限元分析244.1确定蜂窝芯有限元分析的个数244.2 最佳结构参数的研究275 结论与展望29致谢30参考文献31203 基于Solidworks的蜂窝纸有限元分析3.1 SolidWorks Simulation 有限元分析步骤3.1.1 建立几何模型在进行有限元分析之前，首先应对分析对象的形状、尺寸、工况条件、材料类型、计算内容、应力和变形的大致规律等进行仔
8、细分析。只有正确掌握了分析对象的具体特征，才能建立合理的有限元模型。为了建立蜂窝纸板的承载模型，首先要对纸板的结构加以简化。蜂窝纸芯是用胶接法拉伸加工而成，由于胶接工艺的需要，在平行于x方向的壁板为双层，在y方向为单层(正六边形的蜂窝纸芯由4个单层壁板和2个双层壁板组成)，在sw中建立模型时，要考虑到蜂窝纸芯的生产工艺要求，纸芯的壁厚不同。因为蜂窝纸板的每一个六边型蜂窝都是由上下两张纸粘结成的，所以它的各边壁厚不同，在设置它的几何特性时要注意。同时为了分析同一规格不同孔径比和不同规格的蜂窝纸芯的应力一应变情况，在sw中分别建立了它们的几何模型并进行网格划分。蜂窝纸板结构的单元实常数包括面纸、芯
9、纸的厚度，蜂窝夹芯六个面的厚度不全相同,有两个面为双层厚度,其余四个面为单层厚度。3.1.2 创建一个算例有限元模型的创建通常始于算例的定义，算例的定义即输入所需的分析类型和相应的网格类型。当定义一个算例后，SolidWorks Simulation会自动创建一个算例文件夹及几个图标，使用图标文件夹来定义和指定材料属性，定义约束，创建有限元网格14。3.1.3 指定材料定义材料属性就是输入有限元分析时的材料本构关系,包括材料类型和参数。SolidWorks Simulation 自身带有材料库，本文所研究的纸蜂窝材料未列入材料库中，因此要自定义材料的属性。3.1.3定义边界条件（约束和载荷）对
10、于静态分析，模型必须被正确进行约束，使其无法移动，SolidWorks Simulation提供了各种夹具来约束模型。一般而言，夹具可以应用到模型的面、边、顶点。选择适合的夹具，完全限制了模型的空间运动，因此，该模型在没有弹性变形的情况下是无法移动。模型约束好之后，需要向模型施加外部载荷，SolidWorks Simulation提供了多种形式外部载荷形式以加载到模型上。选择所需载荷加载到模型。 3.1.4 划分网格网格处理是为数字化求解准备模型的过程，网格的质量控制着结果的质量。一般采用默认的中等密度网格设置，使离散误差保持在可接受的范围内，同时使计算时间较短。如有需要可自行修改网格设置，以
11、保证分析。在划分网格之后，点击运行分析。在分析运行时，可以通过解算器窗口监视运算过程。3.1.5 查看结果和评估 分析完成后，SolidWorks Simulation自动生成结果文件夹，以及在本章开头定义的默认结果图解：应力，位移及应变。3.2 材料参数和建模确定 3.2.1 材料确定参考王冬梅15的原纸弹性模量测定方法中原纸参数和浙江工业大学硕士周林航在蜂窝纸结构性能及纸芯拉伸技术的研究中蜂窝芯纸参数以及刘跃军、江太 君、曾广胜、陈 挺16在不同蜂窝结构对蜂窝纸板力学性能的影响中所选原纸的参数，本文选择材料参数如下表3-1表3-1 蜂窝芯纸材料参数类别厚度/mm定量/g/m2弹性模量E/M
12、Pa泊松比密度/Kg/m3A组0.2920076000.34690B组0211234000.2785603.2.2 建模尺寸和方案确定经查阅国家包装行业标准BB/T0016-2006，孔径比i一般不小于0.617，蜂窝边长在6到20mm之间，纸板厚度在5到40mm之间，再结合行业标准，因此设置蜂窝芯边长在2mm到30mm之间，高度在5mm到100mm之间，孔径比在0.5到1.1之间。蜂窝芯纸结构是蜂窝纸板的核心组成部分，它决定了整个蜂窝纸板的力学性能，也是蜂窝纸板结构研究的重点。本文蜂窝纸板的有限元分析是通过蜂窝纸芯的结构变化来研究其各性能的变化，得出相应的结论。在研究之前，做一试验，蜂窝纸板
13、表面是否要加轻质薄木板（密度很小，质量忽略不计）。取四个相同蜂窝芯边长，蜂窝芯高度，孔径比，厚度分为四组，第一组单个蜂窝芯不加面纸表面补加薄木板，第二组在第一组基础上表面加薄木板，第三组是单个蜂窝芯加面纸表面不加薄木板，第四组在第三组基础上表面再加一块薄木板。薄木板的参数如表4-2表3-2 木板的材料参数材料 弹性模量 E/MPa 泊松比 密度 /Kg/m3木板 10000 0.3 0.0027将三者底面固定，顶面施加200Pa的压强。其位移变化如图3-1、3-2、3-3、3-4所示。 图3-1 一组位移变化 图3-2二组位移变化 图3-3 三组位移变化 图3-4四组位移变化由图3-1、3-2
14、、3-3、3-4看出，四者的形变皆有不同，在未加面纸和薄木板的蜂窝芯的位移变化全在芯纸上，在没有面纸的蜂窝芯的表面加薄木板，薄板被压的位移变化很大，芯纸形变和位移变化不明显。而加有面纸，以及再加有薄木板的蜂窝芯的芯纸形变几乎不变，面纸形变和位移变化大。众所周知，芯纸的结构力学性能正是通过芯纸的形变、应力、位移等变化分析研究的，因此没必要在芯纸上加面纸和薄木板。从而得出，在蜂窝纸芯表面直接施加压强对蜂窝芯进行研究。3.3 单个蜂窝芯性能比较3.3.1不同边长蜂窝芯比较取A组材料参数，孔径比1，蜂窝高度10mm，厚度0.29mm边长分别为2mm，4mm，6mm，8mm，10mm，12mm，14mm
15、，16mm，18mm，20mm，30mm分别建模，将各组模型地面固定，顶面施加200pa的压强，各组蜂窝芯位移变化和应力变化图如下： 图3-5 边长4mm的应力变化 图3-6 边长4mm的位移变化 图3-7 边长6mm的应力变化 图3-8 边长6mm的位移变化 图3-9 边长8mm的应力变化 图3-10 边长8mm的位移变化 图3-11 边长10mm的应力变化 图3-12 边长10mm的位移变化 图3-13边长12mm的应力变化 图3-14边长12mm的位移变化 图3-15 边长14mm的应力变化 图3-16 边长14mm的位移变化 图3-17 边长16mm的应力变化 3-18 边长16mm的
16、位移变化 图3-19 边长18mm的应力变化 图3-20 边长18mm的位移变化 图3-21 边长20mm的应力变化 图3-22 边长20mm的位移变化 图3-23 边长30mm的应力变化 图3-24 边长30mm的位移变化整理分析数据建立下表3-1表3-3 不同蜂窝边长的最大应力和最大位移表边长（mm）最大应力（N/m2）最大位移（mm）2269.32.620 e-0074293.52.630e-0076314.82.652e-0078323.42.696e-00710329.62.766e-00712334.62.868e-00714337.62.987e-00716349.23.113e
17、-00718350.73.241e-00720364.63.357e-00730364.13.777e-007根据分析数据建立不同蜂窝芯边长的应力变化曲线图3-25和位移变化曲线图3-26图3-25 不同边长最大应力曲线图3-26 不同边长最大位移曲线从数据和曲线图可看出，随着边长的增大，最大应力和最大位移均在增大，边长在2mm到8mm左右呈直线上升，10mm到20mm是缓慢上升趋势，20mm到30mm之后变化趋于不变。而最大位移变化在边长2mm到8mm左右趋于平缓，超过10mm之后，最大应力变化呈直线上升因此，可得出，边长增大，则，在高度不变情况下，蜂窝芯容重减小，蜂窝芯抗压性能降低，但抗压
18、性能不与边长增大同步，边长增大到一定程度，抗压性能的下降趋于平缓，因此选取刚进入平缓区时的边长，则可避免浪费不必要原材料。3.3.2 不同高度的蜂窝芯比较取A组材料参数，孔径比1，蜂窝边长10mm，高度为5mm,10mm，15mm，20mm，25mm，30mm，40mm，50mm，60mm，70mm，80mm固定模型底面，顶面施加200pa压强，得到各组蜂窝芯位移变化和应力变化图，与上一节蜂窝边长对比相同，由于图片繁多，此处不再整理图片，简化为整理图片中数据，由数据建立下表3-1表3-4 不同蜂窝高度的最大应力和最大位移表高度（mm）最大应力（N/m2）最大位移（mm）5369.72.630e
19、-00710329.62.766e-00715314.82.696e-00720313.24.218e-00725290.75.280e-00730267.87.881e-00735260.59.189e-00740256.01.049e-00650245.11.312e-00660236.21.574e-00670234.11.837e-006801348.32.100e-006根据分析数据建立不同蜂窝芯边长的应力变化曲线图3-27和位移变化曲线图3-28图3-27 不同高度蜂窝芯最大应力曲线图3-28 不同高度最大位移曲线从数据和曲线图可看出，随着蜂窝芯高度的增大，最大应力在减小，最大位移
20、在增大，在5mm到10mm之间最大应力变化比较明显，在10mm之后，最大应力变化趋于平缓，直到80mm，最大应力剧增，说明现在的蜂窝芯已经失稳。而最大位移15mm之前变化平缓，从15mm到80mm呈直线上升。由此可看出，高度增大，在蜂窝芯边长不变的情况下，蜂窝芯容重增大，抗压性能随之增大，但增大到一定程度，抗压性能趋于不变，在实际生产中，则不必增加高度以获取较小的抗压强度的增大。且高度增大到一定程度，蜂窝芯会失稳，反而没有较强的抗压性能。3.3.3 蜂窝芯边长与高度比的猜想从上两节可看出蜂窝边长和高度的变化，最终均转化为蜂窝芯容重的变化，容重增大，最大应力减小，抗压性能增强。那么，研究结构对蜂
21、窝性能影响，是否可在相同容重下，高度和边长不同比例的变化，对蜂窝性能的影响。由于，本文研究所限，此处不对此做研究，只做猜想。3.3.4 不同孔径比的蜂窝芯比较 取A组纸芯材料参数，边长10mm，高度10mm，厚度0.29mm，孔径比0.5，0.6，0.7，0.8，0.9,1.1分别建模，将各组模型底面固定，顶面施加200pa压强，各组蜂窝芯位移变化和应力变化图如下： 图3-29 孔径比0.5应力变化 图3-30 孔径比0.5位移变化 图3-31 孔径比0.6应力变化 图3-32 孔径比0.5位移变化 图3-33 孔径比0.7位移变化 图3-34 孔径比0.7位移变化 图3-35 孔径比0.8位
22、移变化 图3-36 孔径比0.8位移变化 图3-37 孔径比0.9位移变化 图3-38 孔径比0.9位移变化 图3-39 孔径比1.1位移变化 图3-40 孔径比1.1位移变化结合前一节孔径比1的数据，整理图中数据建立下表3-5表3-5 不同孔径比蜂窝芯最大应力和最大位移变化孔径比最大应力（N/m2）最大位移（m）0.5348.83.5630e-0070.6340.43.250e-0070.7333.43.019e-0070.8333.42.883e-0070.9329.92.798e-0071329.62.766e-0071.1332.12.983e-007建立位移变化曲线图3-41和应力变
23、化图3-42如下：图3-41 不同孔径比最大应力曲线图3-42 不同孔径比最大位移曲线从数据和曲线图可看出，随着孔径比从0.5开始增大，最大应力逐渐减少，0.8以上逐渐趋于平缓，直到孔径比为1，超过孔径比1，最大应力增大，由此可验证孔径比越接近1，蜂窝芯的结构越稳定，抗压性能越好。4 多个蜂窝芯有限元分析4.1确定蜂窝芯有限元分析的个数取A组纸芯材料参数，边长10mm，高度10mm，孔径比1，蜂窝芯个数1,2,3,4，5,6分别建模，将各组模型分别底面固定，顶面施加20pa压强，各组位移和应力变化图如下： 图4-1 1个位移变化 图4-2 1个应力变化 图4-3 2个位移变化 图4-4 2个应
24、力变化 图4-5 3个位移变化 图4-6 3个应力变化 图4-7 4个位移变化 图4-8 4个应力变化 图4-9 5个位移变化 图4-10 5个应力变化 图4-11 6个位移变化 图4-12 6个应力变化整理位移和应力变化数据如下表：表4-1 不同蜂窝芯个数最大位移和最大位移变化蜂窝芯个数最大应力最大位移1个34.41973.90207e-0082个34.3451 3.98624e-0083个34.29533.87196e-0084个32.78563.28541e-0085个32.77812.75328e-0086个32.77152.32076e-008根据表格数据建立最大位移变化曲线4-13
25、和最大应力曲线图4-14如下：图4-13 不同个数蜂窝芯在20pa压强下位移变化图4-14 不同个数蜂窝芯在20pa压强下应力变化从曲线可看出，当蜂窝芯个数为4或者4个以上时，蜂窝芯的应力变化趋于不变，位移也趋于平缓，从而可得，蜂窝芯个数为4时，可以进行simulation瓦楞纸板的有限元分析。4.2 最佳结构参数的研究本文最佳结构参数研究，以最佳高度为例。取A组纸芯材料参数，10mm边长，孔径比1，高度按单个蜂窝芯研究高度设置，取四个蜂窝芯，按上节步骤建模，施加压强200pa，再进行simulation有限元分析，得到各高度的位移和应力变化图，整理数据建立如下表格。再根据表格数据建立位移和应
26、力变化曲线，从而确定在上述参数下蜂窝芯的最佳高度。表4-2 不同高度4个蜂窝芯最大应力和最大位移高度（mm）最大应力（N/m2）最大位移（mm）5337.61.895e-00710318.83.335e-00715320.95.070e-00720297.85.836e-0072528836.983e-00730271.18.153e-00735263.79.406e-00740264.21.066e-00645245.61.195e-00650240.11.331e-00660225.91.595e-00670236.11.841e-00680232.52.095e-006根据表格数据建立最
27、大位移变化曲线3-27和最大应力曲线图3-28如下：图4-15 四个蜂窝芯不同高度最大应力变化图4-16 四个蜂窝芯不同高度最大位移变化从数据和曲线可看出，随着高度增大，最大位移在直线上升，直至80mm。而最大应力随着高度增大，在直线下降，40mm后趋于平缓，60mm处到达最低点。因此理论上取60mm为此时的最佳高度，而35mm到50mm应力变化相对较小，最小可达0.5N/m2，在实际生产中，增加20mm的高度，以增大较小的抗压性能是不可取的，因此，最佳高度值可根据实际情况，在35到45之间选择。参考文献1张峻岭.蜂窝纸板防振缓冲性能研究及应用D.武汉：华中科技大学，机械学院，20042贺丹化
28、.蜂窝/瓦楞复合纸板性能D.广西：广西大学，制浆造纸工程，20083蔡四维.复合材料结构学M.北京：人民交通出版社，19874郭彦峰、辛成龙、许文才、刘全校.蜂窝纸板结构平压性能有限元分析J.包装工程，2009，05,175范秋习.蜂窝夹层符合材料J.北京轻工学院学报，1998，16，2，77806张峻岭、毛中彦.蜂窝纸板在包装中的应用J.机电信息，2004，17，137彭建林、伊志宏.蜂窝纸板力学性能分析研究D.昆明：昆明理工大学，机械电子工程系，20088张建林.金属蜂窝板片结构体系的理论分析及应用研究D.南京：东南大学20059宋俊杰、伊志宏.基于Marc的蜂窝纸板力学性能分析与研究.D
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