基于solidworks蜂窩紙結(jié)構(gòu)與性能的研究

1、蜂窩紙結(jié)構(gòu)與性能的研究 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （浙江科技學(xué)院輕工學(xué)院） 摘摘 要要：當(dāng)前，包裝領(lǐng)域大力提倡“以紙代塑，以紙代木”，蜂窩紙 板以其重量輕、用料少、成本低、強(qiáng)度高、緩沖性能好、吸音隔 熱、便于回收利用的特點(diǎn)使這種綠色環(huán)保材料逐步成為一種新型的 綠色包裝材料。 本文在對(duì)蜂窩紙板結(jié)構(gòu)性能理論研究的基礎(chǔ)上，不同于前人大 多用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，而通過功能強(qiáng)大的建模仿真軟件 Solidworks對(duì)蜂窩紙板建模仿真，并通過Solidworks插件 Simulation，對(duì)蜂窩芯的力學(xué)性能進(jìn)行有限元分析。因此，可在力 學(xué)參數(shù)方面獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證前人理論公式的可行 性。

2、關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：蜂窩紙；結(jié)構(gòu)性能；建模仿真；有限元分析 The Structure and Properties of the Honeycomb Paper Research Student 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

3、instead of wood .The 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, easil

4、y recycled. In this paper, 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 h

5、oneycomb core. As a result，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 錄 摘要 .I ABSTRACT .II 目錄.III 1 緒論.1 1.1本課題研究背景.1 1.1.1蜂

6、窩紙板發(fā)展概述.1 1.1.2 蜂窩紙板的應(yīng)用領(lǐng)域及存在問題.1 1.2 國內(nèi)外蜂窩紙板研究概況.2 1.3 本課題研究內(nèi)容和意義.2 2 蜂窩紙板結(jié)構(gòu)與性能理論研究.4 2.1 結(jié)構(gòu)理論.4 2.1.1 各向同性夾芯夾層板理論.4 2.1.2 正交各向異性理論.5 2.2 影響蜂窩紙板性能的因素.5 2.2.1 原材料質(zhì)量指標(biāo).5 2.3 孔徑比對(duì)平壓強(qiáng)度的影響.9 3 基于SOLIDWORKS的蜂窩紙有限元分析.11 3.1 SOLIDWORKS SIMULATION 有限元分析步驟.11 3.1.1 建立幾何模型.11 3.1.2 創(chuàng)建一個(gè)算例.11 3.1.3 指定材料.11 3.1.

7、3定義邊界條件（約束和載荷）.12 3.1.4 劃分網(wǎng)格.12 3.1.5 查看結(jié)果和評(píng)估.12 3.2 材料參數(shù)和建模確定.12 3.2.1 材料確定.12 3.2.2 建模尺寸和方案確定.13 3.3 單個(gè)蜂窩芯性能比較.14 3.3.1不同邊長蜂窩芯比較.14 3.3.2 不同高度的蜂窩芯比較.18 3.3.3 蜂窩芯邊長與高度比的猜想.20 3.3.4 不同孔徑比的蜂窩芯比較.20 4 多個(gè)蜂窩芯有限元分析.24 4.1確定蜂窩芯有限元分析的個(gè)數(shù).24 4.2 最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究.27 5 結(jié)論與展望.29 致謝.30 參考文獻(xiàn).31 3 基于Solidworks的蜂窩紙有限元分析 3

8、.1 SolidWorks Simulation 有限元分析步驟 3.1.1 建立幾何模型 在進(jìn)行有限元分析之前，首先應(yīng)對(duì)分析對(duì)象的形狀、尺寸、工況條件、材 料類型、計(jì)算內(nèi)容、應(yīng)力和變形的大致規(guī)律等進(jìn)行仔細(xì)分析。只有正確掌握了 分析對(duì)象的具體特征，才能建立合理的有限元模型。為了建立蜂窩紙板的承載 模型，首先要對(duì)紙板的結(jié)構(gòu)加以簡化。蜂窩紙芯是用膠接法拉伸加工而成，由 于膠接工藝的需要，在平行于x方向的壁板為雙層，在y方向?yàn)閱螌?正六邊形的 蜂窩紙芯由4個(gè)單層壁板和2個(gè)雙層壁板組成)，在sw中建立模型時(shí)，要考慮到蜂 窩紙芯的生產(chǎn)工藝要求，紙芯的壁厚不同。因?yàn)榉涓C紙板的每一個(gè)六邊型蜂窩 都是由上下兩

9、張紙粘結(jié)成的，所以它的各邊壁厚不同，在設(shè)置它的幾何特性時(shí) 要注意。同時(shí)為了分析同一規(guī)格不同孔徑比和不同規(guī)格的蜂窩紙芯的應(yīng)力一應(yīng) 變情況，在sw中分別建立了它們的幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的 單元實(shí)常數(shù)包括面紙、芯紙的厚度，蜂窩夾芯六個(gè)面的厚度不全相同,有兩個(gè)面 為雙層厚度,其余四個(gè)面為單層厚度。 3.1.2 創(chuàng)建一個(gè)算例 有限元模型的創(chuàng)建通常始于算例的定義，算例的定義即輸入所需的分析類 型和相應(yīng)的網(wǎng)格類型。當(dāng)定義一個(gè)算例后，SolidWorks Simulation會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一 個(gè)算例文件夾及幾個(gè)圖標(biāo)，使用圖標(biāo)文件夾來定義和指定材料屬性，定義約 束，創(chuàng)建有限元網(wǎng)格14。 3.1.3

10、指定材料 定義材料屬性就是輸入有限元分析時(shí)的材料本構(gòu)關(guān)系,包括材料類型和參 數(shù)。SolidWorks Simulation 自身帶有材料庫，本文所研究的紙蜂窩材料未列入 材料庫中，因此要自定義材料的屬性。 3.1.3定義邊界條件（約束和載荷） 對(duì)于靜態(tài)分析，模型必須被正確進(jìn)行約束，使其無法移動(dòng)，SolidWorks Simulation提供了各種夾具來約束模型。一般而言，夾具可以應(yīng)用到模型的面、 邊、頂點(diǎn)。選擇適合的夾具，完全限制了模型的空間運(yùn)動(dòng)，因此，該模型在沒 有彈性變形的情況下是無法移動(dòng)。模型約束好之后，需要向模型施加外部載 荷，SolidWorks Simulation提供了多種形式外

11、部載荷形式以加載到模型上。選擇 所需載荷加載到模型。 3.1.4 劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格處理是為數(shù)字化求解準(zhǔn)備模型的過程，網(wǎng)格的質(zhì)量控制著結(jié)果的質(zhì) 量。一般采用默認(rèn)的中等密度網(wǎng)格設(shè)置，使離散誤差保持在可接受的范圍內(nèi)， 同時(shí)使計(jì)算時(shí)間較短。如有需要可自行修改網(wǎng)格設(shè)置，以保證分析。在劃分網(wǎng) 格之后，點(diǎn)擊運(yùn)行分析。在分析運(yùn)行時(shí)，可以通過解算器窗口監(jiān)視運(yùn)算過程。 3.1.5 查看結(jié)果和評(píng)估 分析完成后，SolidWorks Simulation自動(dòng)生成結(jié)果文件夾，以及在本章開頭 定義的默認(rèn)結(jié)果圖解：應(yīng)力，位移及應(yīng)變。 3.2 材料參數(shù)和建模確定 3.2.1 材料確定 參考王冬梅15的原紙彈性模量測(cè)定方法中原紙

12、參數(shù)和浙江工業(yè)大學(xué)碩 士周林航在蜂窩紙結(jié)構(gòu)性能及紙芯拉伸技術(shù)的研究中蜂窩芯紙參數(shù)以及劉 躍軍、江太 君、曾廣勝、陳 挺16在不同蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)蜂窩紙板力學(xué)性能的影 響中所選原紙的參數(shù)，本文選擇材料參數(shù)如下表3-1 表3-1 蜂窩芯紙材料參數(shù) 類別厚度/mm定量/g/m2彈性模量E/MPa泊松比密度/Kg/m3 A組0.2920076000.34690 B組0211234000.278560 3.2.2 建模尺寸和方案確定 經(jīng)查閱國家包裝行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)BB/T0016-2006，孔徑比i一般不小于0.617，蜂窩 邊長在6到20mm之間，紙板厚度在5到40mm之間，再結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)置 蜂窩芯邊長在2

13、mm到30mm之間，高度在5mm到100mm之間，孔徑比在0.5到1.1 之間。 蜂窩芯紙結(jié)構(gòu)是蜂窩紙板的核心組成部分，它決定了整個(gè)蜂窩紙板的力學(xué) 性能，也是蜂窩紙板結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)。本文蜂窩紙板的有限元分析是通過蜂窩 紙芯的結(jié)構(gòu)變化來研究其各性能的變化，得出相應(yīng)的結(jié)論。在研究之前，做一 試驗(yàn)，蜂窩紙板表面是否要加輕質(zhì)薄木板（密度很小，質(zhì)量忽略不計(jì)）。取四 個(gè)相同蜂窩芯邊長，蜂窩芯高度，孔徑比，厚度分為四組，第一組單個(gè)蜂窩芯 不加面紙表面補(bǔ)加薄木板，第二組在第一組基礎(chǔ)上表面加薄木板，第三組是單 個(gè)蜂窩芯加面紙表面不加薄木板，第四組在第三組基礎(chǔ)上表面再加一塊薄木板。 薄木板的參數(shù)如表 4-2 表3

14、-2 木板的材料參數(shù) 材料 彈性模量 E/MPa 泊松比 密度 /Kg/m3 木板 10000 0.3 0.0027 將三者底面固定，頂面施加 200Pa 的壓強(qiáng)。其位移變化如圖 3-1、3-2、3- 3、3-4 所示。 圖 3-1 一組位移變化 圖 3-2 二組位移變化 圖 3-3 三組位移變化 圖 3-4 四組位移變化 由圖 3-1、3-2、3-3、3-4 看出，四者的形變皆有不同，在未加面紙和薄木 板的蜂窩芯的位移變化全在芯紙上，在沒有面紙的蜂窩芯的表面加薄木板，薄 板被壓的位移變化很大，芯紙形變和位移變化不明顯。而加有面紙，以及再加 有薄木板的蜂窩芯的芯紙形變幾乎不變，面紙形變和位移變

15、化大。眾所周知， 芯紙的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能正是通過芯紙的形變、應(yīng)力、位移等變化分析研究的，因 此沒必要在芯紙上加面紙和薄木板。從而得出，在蜂窩紙芯表面直接施加壓強(qiáng) 對(duì)蜂窩芯進(jìn)行研究。 3.3 單個(gè)蜂窩芯性能比較 3.3.1不同邊長蜂窩芯比較 取A組材料參數(shù)，孔徑比1，蜂窩高度10mm，厚度0.29mm邊長分別為 2mm，4mm，6mm，8mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm，20mm，30 mm分別建模，將各組模型地面固定，頂面施加200pa的壓強(qiáng)，各組蜂窩芯位移 變化和應(yīng)力變化圖如下： 圖3-5 邊長4mm的應(yīng)力變化 圖3-6 邊長4mm的位移變化 圖3-7 邊長6mm的應(yīng)力變化

16、 圖3-8 邊長6mm的位移變化 圖3-9 邊長8mm的應(yīng)力變化 圖3-10 邊長8mm的位移變化 圖3-11 邊長10mm的應(yīng)力變化 圖3-12 邊長10mm的位移變化 圖3-13邊長12mm的應(yīng)力變化 圖3-14邊長12mm的位移變化 圖3-15 邊長14mm的應(yīng)力變化 圖3-16 邊長14mm的位移變化 圖3-17 邊長16mm的應(yīng)力變化 3-18 邊長16mm的位移變化 圖3-19 邊長18mm的應(yīng)力變化 圖3-20 邊長18mm的位移變化 圖3-21 邊長20mm的應(yīng)力變化 圖3-22 邊長20mm的位移變化 圖3-23 邊長30mm的應(yīng)力變化 圖3-24 邊長30mm的位移變化 整

17、理分析數(shù)據(jù)建立下表3-1 表3-3 不同蜂窩邊長的最大應(yīng)力和最大位移表 邊長（mm）最大應(yīng)力（N/m2）最大位移（mm） 2269.32.620 e-007 4293.52.630e-007 6314.82.652e-007 8323.42.696e-007 10329.62.766e-007 12334.62.868e-007 14337.62.987e-007 16349.23.113e-007 18350.73.241e-007 20364.63.357e-007 30364.13.777e-007 根據(jù)分析數(shù)據(jù)建立不同蜂窩芯邊長的應(yīng)力變化曲線圖3-25和位移變化曲線 圖3-26 圖3-

18、25 不同邊長最大應(yīng)力曲線 圖3-26 不同邊長最大位移曲線 從數(shù)據(jù)和曲線圖可看出，隨著邊長的增大，最大應(yīng)力和最大位移均在增 大，邊長在2mm到8mm左右呈直線上升，10mm到20mm是緩慢上升趨 勢(shì)，20mm到30mm之后變化趨于不變。而最大位移變化在邊長2mm到8mm左右 趨于平緩，超過10mm之后，最大應(yīng)力變化呈直線上升因此，可得出，邊長增 大，則，在高度不變情況下，蜂窩芯容重減小，蜂窩芯抗壓性能降低，但抗壓 性能不與邊長增大同步，邊長增大到一定程度，抗壓性能的下降趨于平緩，因 此選取剛進(jìn)入平緩區(qū)時(shí)的邊長，則可避免浪費(fèi)不必要原材料。 3.3.2 不同高度的蜂窩芯比較 取A組材料參數(shù)，孔徑

19、比1，蜂窩邊長10mm，高度為 5mm,10mm，15mm，20mm，25mm，30mm，40mm，50mm，60mm，70mm， 80mm固定模型底面，頂面施加200pa壓強(qiáng)，得到各組蜂窩芯位移變化和應(yīng)力變 化圖，與上一節(jié)蜂窩邊長對(duì)比相同，由于圖片繁多，此處不再整理圖片，簡化 為整理圖片中數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)建立下表3-1 表3-4 不同蜂窩高度的最大應(yīng)力和最大位移表 高度（mm）最大應(yīng)力（N/m2）最大位移（mm） 5369.72.630e-007 10329.62.766e-007 15314.82.696e-007 20313.24.218e-007 25290.75.280e-007 302

20、67.87.881e-007 35260.59.189e-007 40256.01.049e-006 50245.11.312e-006 60236.21.574e-006 70234.11.837e-006 801348.32.100e-006 根據(jù)分析數(shù)據(jù)建立不同蜂窩芯邊長的應(yīng)力變化曲線圖3-27和位移變化曲線 圖3-28 圖3-27 不同高度蜂窩芯最大應(yīng)力曲線 圖3-28 不同高度最大位移曲線 從數(shù)據(jù)和曲線圖可看出，隨著蜂窩芯高度的增大，最大應(yīng)力在減小，最大 位移在增大，在5mm到10mm之間最大應(yīng)力變化比較明顯，在10mm之后，最大 應(yīng)力變化趨于平緩，直到80mm，最大應(yīng)力劇增，說明現(xiàn)

21、在的蜂窩芯已經(jīng)失穩(wěn)。 而最大位移15mm之前變化平緩，從15mm到80mm呈直線上升。由此可看出， 高度增大，在蜂窩芯邊長不變的情況下，蜂窩芯容重增大，抗壓性能隨之增 大，但增大到一定程度，抗壓性能趨于不變，在實(shí)際生產(chǎn)中，則不必增加高度 以獲取較小的抗壓強(qiáng)度的增大。且高度增大到一定程度，蜂窩芯會(huì)失穩(wěn)，反而 沒有較強(qiáng)的抗壓性能。 3.3.3 蜂窩芯邊長與高度比的猜想 從上兩節(jié)可看出蜂窩邊長和高度的變化，最終均轉(zhuǎn)化為蜂窩芯容重的變化，容 重增大，最大應(yīng)力減小，抗壓性能增強(qiáng)。那么，研究結(jié)構(gòu)對(duì)蜂窩性能影響，是 否可在相同容重下，高度和邊長不同比例的變化，對(duì)蜂窩性能的影響。由于， 本文研究所限，此處不對(duì)

22、此做研究，只做猜想。 3.3.4 不同孔徑比的蜂窩芯比較 取A組紙芯材料參數(shù)，邊長10mm，高度10mm，厚度0.29mm，孔徑比 0.5，0.6，0.7，0.8，0.9,1.1分別建模，將各組模型底面固定，頂面施加200pa壓 強(qiáng)，各組蜂窩芯位移變化和應(yīng)力變化圖如下： 圖3-29 孔徑比0.5應(yīng)力變化 圖3-30 孔徑比0.5位移變化 圖3-31 孔徑比0.6應(yīng)力變化 圖3-32 孔徑比0.5位移變化 圖3-33 孔徑比0.7位移變化 圖3-34 孔徑比0.7位移變化 圖3-35 孔徑比0.8位移變化 圖3-36 孔徑比0.8位移變化 圖3-37 孔徑比0.9位移變化 圖3-38 孔徑比0.

23、9位移變化 圖3-39 孔徑比1.1位移變化 圖3-40 孔徑比1.1位移變化 結(jié)合前一節(jié)孔徑比1的數(shù)據(jù)，整理圖中數(shù)據(jù)建立下表3-5 表3-5 不同孔徑比蜂窩芯最大應(yīng)力和最大位移變化 孔徑比最大應(yīng)力（N/m2）最大位移（m） 0.5348.83.5630e-007 0.6340.43.250e-007 0.7333.43.019e-007 0.8333.42.883e-007 0.9329.92.798e-007 1329.62.766e-007 1.1332.12.983e-007 建立位移變化曲線圖3-41和應(yīng)力變化圖3-42如下： 圖3-41 不同孔徑比最大應(yīng)力曲線 圖3-42 不同孔徑

24、比最大位移曲線 從數(shù)據(jù)和曲線圖可看出，隨著孔徑比從0.5開始增大，最大應(yīng)力逐漸減 少，0.8以上逐漸趨于平緩，直到孔徑比為1，超過孔徑比1，最大應(yīng)力增大，由 此可驗(yàn)證孔徑比越接近1，蜂窩芯的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，抗壓性能越好。 4 多個(gè)蜂窩芯有限元分析 4.1確定蜂窩芯有限元分析的個(gè)數(shù) 取A組紙芯材料參數(shù)，邊長10mm，高度10mm，孔徑比1，蜂窩芯個(gè)數(shù) 1,2,3,4，5,6分別建模，將各組模型分別底面固定，頂面施加20pa壓強(qiáng)，各組位 移和應(yīng)力變化圖如下： 圖4-1 1個(gè)位移變化 圖4-2 1個(gè)應(yīng)力變化 圖4-3 2個(gè)位移變化 圖4-4 2個(gè)應(yīng)力變化 圖4-5 3個(gè)位移變化 圖4-6 3個(gè)應(yīng)力變化

25、圖4-7 4個(gè)位移變化 圖4-8 4個(gè)應(yīng)力變化 圖4-9 5個(gè)位移變化 圖4-10 5個(gè)應(yīng)力變化 圖4-11 6個(gè)位移變化 圖4-12 6個(gè)應(yīng)力變化 整理位移和應(yīng)力變化數(shù)據(jù)如下表： 表4-1 不同蜂窩芯個(gè)數(shù)最大位移和最大位移變化 蜂窩芯個(gè)數(shù)最大應(yīng)力最大位移 1個(gè)34.41973.90207e-008 2個(gè)34.3451 3.98624e-008 3個(gè)34.29533.87196e-008 4個(gè)32.78563.28541e-008 5個(gè)32.77812.75328e-008 6個(gè)32.77152.32076e-008 根據(jù)表格數(shù)據(jù)建立最大位移變化曲線4-13和最大應(yīng)力曲線圖4-14如下： 圖4

26、-13 不同個(gè)數(shù)蜂窩芯在20pa壓強(qiáng)下位移變化 圖4-14 不同個(gè)數(shù)蜂窩芯在20pa壓強(qiáng)下應(yīng)力變化 從曲線可看出，當(dāng)蜂窩芯個(gè)數(shù)為4或者4個(gè)以上時(shí)，蜂窩芯的應(yīng)力變化趨于 不變，位移也趨于平緩，從而可得，蜂窩芯個(gè)數(shù)為4時(shí)，可以進(jìn)行simulation瓦 楞紙板的有限元分析。 4.2 最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究 本文最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)研究，以最佳高度為例。取A組紙芯材料參數(shù)，10mm邊 長，孔徑比1，高度按單個(gè)蜂窩芯研究高度設(shè)置，取四個(gè)蜂窩芯，按上節(jié)步驟建 模，施加壓強(qiáng)200pa，再進(jìn)行simulation有限元分析，得到各高度的位移和應(yīng)力 變化圖，整理數(shù)據(jù)建立如下表格。再根據(jù)表格數(shù)據(jù)建立位移和應(yīng)力變化曲線， 從

27、而確定在上述參數(shù)下蜂窩芯的最佳高度。 表4-2 不同高度4個(gè)蜂窩芯最大應(yīng)力和最大位移 高度 （mm） 最大應(yīng)力（N/m2）最大位移（mm） 5337.61.895e-007 10318.83.335e-007 15320.95.070e-007 20297.85.836e-007 2528836.983e-007 30271.18.153e-007 35263.79.406e-007 40264.21.066e-006 45245.61.195e-006 50240.11.331e-006 60225.91.595e-006 70236.11.841e-006 80232.52.095e-00

28、6 根據(jù)表格數(shù)據(jù)建立最大位移變化曲線3-27和最大應(yīng)力曲線圖3-28如下： 圖4-15 四個(gè)蜂窩芯不同高度最大應(yīng)力變化 圖4-16 四個(gè)蜂窩芯不同高度最大位移變化 從數(shù)據(jù)和曲線可看出，隨著高度增大，最大位移在直線上升，直至80mm。 而最大應(yīng)力隨著高度增大，在直線下降，40mm后趨于平緩，60mm處到達(dá)最低 點(diǎn)。因此理論上取60mm為此時(shí)的最佳高度，而35mm到50mm應(yīng)力變化相對(duì)較小， 最小可達(dá)0.5N/m2，在實(shí)際生產(chǎn)中，增加20mm的高度，以增大較小的抗壓性能是 不可取的，因此，最佳高度值可根據(jù)實(shí)際情況，在35到45之間選擇。 參考文獻(xiàn) 1張峻嶺.蜂窩紙板防振緩沖性能研究及應(yīng)用D.武漢：

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