纸浆模塑工业包装制品缓冲机理研究及有限元模拟

      纸浆模塑工业包装制品由于具有良好的防震、质轻、易分解、透气性好、易回收再利用等特点，在某些领域已成为发泡塑料包装制品的替代品，并得到了越来越广泛的应用。

         1、纸浆模塑包装工业现状

        纸浆模塑制品以废弃纸张为主要原料，先将其放在水中利用机械或水力搅拌产生的剪切力将废纸搅碎，然后用带金属网的模具脱水成型，再经干燥、热整形等工序得到zui终制品。我国自八十年代初开始从国外引进纸浆模塑制品生产线，现已能自行设计和制造多种型号的纸浆模塑制品设备。目前已有数百家纸浆模塑制品生产企业，被包装物涉及农副产品、电子产品、食品和小型产品等。由于对纸浆模塑制品生产的应用研究主要集中在纸浆模塑制品生产工艺过程的制定以及模具和成型机的设计上，对制品缓冲性能的分析较少，大多是停留在纸浆模塑制品的某一种缓冲结构或制品的某一局部结构的性能分析上，不能较准确地预测包装是否满足耐静压、抗震、缓冲以及保护被包装物的要求，而且对纸浆模塑包装制品在使用过程中所出现的问题也不易做出准确的判断，使得制品和模具设计具有较大的盲目性。

        本文首先从被包装件流通环境分析入手，在对纸浆模塑制品材料的力学性能、制品形状和所受载荷分析的基础上，探讨纸浆模塑制品的缓冲机理，然后建立纸浆模塑制品的力学模型，并利用有限单元法来研究纸浆模塑制品的几可结构对其性能的影响，从而为提高制品的设计水平做好前期工作。

　　2、纸浆模塑制品缓冲机理的探讨


　　纸浆模塑制品保护被包装物主要包括储存、运输和装卸三个环节。在这些环节所受到的载荷是导致被包装物破损的主要原因，其中主要包括静压、振动和冲击。

包装制品对于被包装物所起的作用主要有以下两点：

　　1）延长激烈作用时间以降低物品的zui大作用力。
　　2）通过自身的变形zui大限度地消耗或储备外界传入的能量。
　　工业包装和纸浆模塑制品是通过自身的特殊结构在受载时的变形来延长响应时间、吸收外界能量，从而减少被包装物受到冲击和振动的。它不同于泡沫塑料包装制品的缓冲机理，因为用发泡材料的制品，由于材料内部发布着大量可压缩的泡孔，不论制品为何种形状，它都具有较好的缓冲性能。假如用纸浆模塑材料和泡沫塑料分别铺一个大平面，显然前者是不能缓冲的，而后者却可以，因此：

1）纸浆模塑制品缓冲是通过自身的特殊结构实现的。
2) 由于被包装制品结构的多样性,使得对整个纸浆模塑结构进行分析比较困难，故可以用积木式的结构分析方法，将整体分解为各种局部的缓冲结构。如有些学者将其分为四种常见的结构：肋状、塔状、座状和椅状。
　　3）各种缓冲结构并不是孤立的，众多缓冲结构之间通过相互串联或并联构成了整个缓冲包装系统。

　　当制品的某一处受到载荷时，由于纸浆模塑制品的材料强度相对低，此处的变形就会导致周围区域也发生较大的变形，然后周围区域的变形又使更远的部位发生较大的变形，这样就将外加能量分散到周围，由各部分共同承担。这样的好处有两个，一方面它使得整个变形过程由各部分的变形相继进行，从而延长了发生变形的时间，降低zui大作用和和zui大加速度，保护了制品；另一方面使得能量的消耗或储备由各部分来共同承担，避免了某一局部的过早破坏。这种通过包装件在结构上的*变形，甚至是局部破坏来有效地减小zui大作用力和消耗能量的方式可称为结构缓冲。结构缓冲机理在日常生活是常见的，如试验用的汽车模型经过猛烈撞击后还能打开车门，就是通过汽车前部的大变形来消耗能量，从而保护其它部分。

　　3、纸浆模塑工业包装制品力学模型的建立和求解

　　本文研究纸浆模塑制品在静载下的受力情况。首先建立物理模型，然后利用有限元法求解，以得出模型的响应，如应力的分布和各部分的变形。在此过程中也可以反复地改变模型的厚度，甚至是几何结构，以便于进行比较和讲座。

　　3.1有限元方法简介

　　有限元是一种模拟设计载荷条件，并确定在载荷条件下设计响应的方法。基本思想是将连续的求解区域离散为有限的且按一定方式相互连接在一起的单元，利用在每个单元内假设的近似值来分片地表示全部求解区域上待定的未知，从而使一个连续的无限自由度问题变为离散有限自由度问题。通过求出各个单元内场的近似值得到整个求解区域上的近似值。由于单元中未知量个数是有限的，称为有限单元。ANSYS软件是利用有限单元法原理来分析实际问题的一种软件，它是在实施工种之前，先在计算机的虚拟空间建立工种的虚拟，一是用它来预测实际工程的性能，分析各各参数对性能的影响。通过反复调整参数以使工程性能*化，在此基础上再来实施实际的工程。它克服了产品在市场化过程中面临的一系列问题，如经验设计、实测手段带来的误差，大大提高了经济效益，减少了研究周期，降低了成本。

　　3.2材料性能测试

　　建模之前，首先应进行材料力学性能测试。表征材料力学特性的经典方法是采用表态或动态应力－应变曲线。本文在参考GB／T12914－1991纸和纸板抗润度测量方法，通过材料拉伸实验机得出了纸浆模塑制品材料的应力变曲线。

测试条件为： 拉伸速度为10mm/min
测量温度常温20摄氏度，湿度为50％，压力为标准大气压。样条在制品上取料。

　　3.3建立纸浆模塑制品在静压下的有限元模型

　　基本假设：
　　1）材料是各向同性的，同一制品各部分的材料性能相同。
　　2）模型建立在常温、常压下，湿度为45％。不考虑由于温度、湿度和压力的改变对材料性能指标的影响。
　　3）材料为塑性的，其应力应变曲线可由多段直线表示。*段为弹性斜率为Et，以后各段都为塑性阶段。只要直线目足够多，整个应力应变曲线是可以由直线来近似表示的。
　　4）假设地面和包装箱为刚性的。
　　5）静压力为分布力，大小不随时间变化。
　　强化准则为各向同性强化理论，屈服准则为Von Mises屈服准则。 发生屈服时，塑性应变发展的方向垂直于屈服面，遵循相关流动准则。 由于在受载时，制品的变形比较大，而且材料变形范围超过了弹性阶段，发生了塑性变形，故模型表现为几何非线性和材料非线性特点。
载荷：大小为80000Pa的均匀分布压力。压力作用表面为a面。
边界条件：底面的所有平动和转动自由度都已被限制住，侧面Y方向的平动自由度也被限制住。

　　4、网格划分：采用壳单元，智能网格划分。

　　1）虽然纸浆模塑制品的厚度均匀，材料各向同性，但各处的应力却偏差很大。
　　2）通过观察云图的应力分布，可以看出，由于制品各处的材料性能相同，这就说明了纸浆模塑制品中的各种缓冲结构在承受载荷过程中起到了非常重要的作用。从而验证了上述的关于纸浆模塑制品缓冲机理的正确，即结构对纸浆模塑制品的缓冲性能起主要作用。
　　3）在基于制品应力应变总体分布认识的前题下，我们可以改进制品的结构，使它各部分的应力趋于均匀。可以试着在应力比较小的地方减少缓冲结构数目，简化结构，在应力大的地方增加缓冲结构数目，从而使制品及模具的设计更加合理。

　　5、 结束语

　　本文的分析工作是初步的，模型只考虑了纸浆模塑制品在静载苛下的响应情况，仅依靠这些作为包装设计准则是不够的，还应考虑流通过程中的振动冲击对其性能的影响，因此有必要对纸浆模塑制品进行动力学的分析和模拟，以确定它的动力学性能。另外，还没有考虑温度、湿度等因素对材料性能的影响，也没有考虑被包装物和外包装箱对包装系统的影响问题。尽管如此，利用有限元方法对纸浆模塑工业包装制品进行结构分析必将推动制品和模具设计的技术进步，这对我国纸浆模塑包装工业的发展具有积极的意义。