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1、 蜂窝纸板箱 塑料护角的仿真分析 摘要 ： 蜂 窝纸板是新型的绿 色缓冲 包装材料。 角代替纸护角 ，优化蜂 窝纸板 箱棱边连接方法。 角具有较强的 实用性。 0 引言 蜂窝纸板是新型的绿色缓冲包装材料 ，具有 优异 的缓冲吸能特性 ，较 高的耐压性能 ，且具有 重量轻，强度高，承重大 ，成本低 ，易回收处理 等优点。蜂窝纸板 的缺点是不可折叠性 ，目前不 能实现 自动化制箱 ，在应用上受到限制 。可 以用 带卡扣的塑料护角代替纸护角 ，优化蜂窝纸板箱 棱边 以及角部的连接方法 ，提高蜂窝纸板箱 的性 能，同时简化蜂窝纸板箱的制造过程。 1 塑料护角结构设计 与木箱相 比，蜂窝纸板箱缓冲性 能
2、高 出2 8 倍 、重量轻5 5 7 5 。与传统的瓦楞纸箱相比， 蜂窝纸板箱 的机械性能更好。试验表 明，蜂窝纸 板包装 箱 内装 易碎物 品破损 率 比瓦楞 纸箱 降低 5 0 9 7 ；与 同规格 的瓦楞纸箱重量 比为2 ： 5 ，可节约纸板6 0 。是 目前产 品包装 设计 中广 泛采用的缓冲包装材料 。用于电子 电工产 品、精 密仪器、家用 电器等产品的包装 ，是国际公认新 兰州交通大学 宋钊 蜂 窝纸板不可折叠，不能实现 自动化制箱。用塑料护 用有限元方法分析塑料护 角的力学性 能，证 明塑料护 型环保包装产 品。国内对蜂窝纸板 的性能研究集 中在蜂窝纸板静态结构稳定性研究和动态缓
3、冲性 能研究两方面 。蜂窝纸板箱在生产和使用中存在 的一个 问题是棱边的连接 。传统的纸护角在蜂窝 纸板箱生产过程 中通过粘接方式进行连接。生产 工艺较为复杂 ，且粘结牢 固度难 以控制 ，造成蜂 窝纸板箱质量不稳定。在重型包装中还需辅其它 的加固件、连接件进行连接 ，使用不方便 ，且强 度不大 。因此需要新型的护角代替纸护角 。 塑料护 角采用卡 扣结构对 蜂窝纸板进 行连 接，代替传统的粘接方式 。这样可优化纸箱生产 工艺，降低劳动强度，提高蜂窝纸板箱 的强度 。 塑料护角 的结构特点使其具有可拆卸性 ，并且可 以反复使用 ，从而降低蜂窝纸板箱整体成本 。塑 料护角硬度大于纸护角，放置在纸
4、箱 内外两侧 ， 能够保护纸箱。 卡扣是一种非常简单 、经济和快速 的连接 的 两个不同的组成部件方式 。所有类型的卡扣都有 中 国 包 装2 0 1 2 1 1 i 黢 一个共 同的设计原则，即一个突出部分组件在连 接操作过程中产生小变形，然后与一个倒钩组件 相互卡紧 ，最后卡扣的突出部分应该返回一个无 应力状态 。突出部分组件又称为锁紧件。根据锁 紧件 的不 同卡扣可分 为悬 臂梁卡扣 、平面型卡 扣、止逆型卡扣 、扭转型卡扣和圆环形卡扣 。其 中悬臂梁卡扣是最常见的一种 。 蜂窝纸板的厚度通常在l O m m 至6 0 m m 之间，为 方便后续研究，选用厚3 0 m m 的蜂窝纸板 。
5、根据蜂 窝纸板的结构特 点，设计 了塑料护角。该护角 由 内外各一个L 型护角板和若干卡扣钉组成 。内护 角板的板面上根据蜂窝纸板的蜂窝间距打孔 ，形 成卡扣 的倒钩结构。外护角板在对应位置打孔 ， 便于卡扣钉穿过 ，并最终与卡扣钉尾部配合形成 卡紧状态 。护角板上的孔交错分布 ，有利于形成 最终的固定面。如果孔呈直线分布 ，蜂窝纸板 的 受力 会过于集 中 ，并且 不利于安排 卡扣钉的位 置 。卡扣钉采取悬臂梁卡扣设计。由于悬臂梁穿 过蜂窝纸板时与蜂窝侧壁并不接触，而是处于悬 空状态。为保证悬臂梁 的强度 ，将悬臂梁卡扣设 计成两个对称放置的1 2 0 度弧形悬臂卡扣。卡扣 钉尺寸如 图一所
6、示。卡扣钉在装配过程中，先穿 过外护角板 上的孔 ，再刺破蜂窝纸 板的两 张面 纸，最后和 内护角板上 的孔形成卡扣锁合 。因为 内外护角板上的孔是根据蜂窝纸板的蜂窝间距确 定的位置，所 以在卡扣钉穿过蜂窝纸板时应恰好 经过一个 蜂窝孔 隙，而不会破坏 蜂窝纸板 的侧 壁。卡扣钉并没有像传统 的卡扣那样直接和外护 角板连成一体 ，这里主要考虑到两个方面：一是 注塑成型的问题。外护角板的尺寸较大 ，在其上 增加很多小的柱状凸起，注塑较难实现 。而单独 注塑成型外护角板和卡扣钉 的较为容易。二是安 装的 问题 。单独的卡扣钉比较容易安装 ，安装过 程类似逐个拧紧螺丝 的过程 ，可以分步操作，而 不
7、必对齐每个内外护角上的T L I I 再安装。 图一卡扣钉尺 -2( ra m ) 2 塑料护角板仿真实验 本文主要分析塑料护角的力学性能，因此假 设在施加垂直于时蜂窝纸板的载荷 时，蜂窝纸板 不会 出现破损等现行。因此将蜂窝纸板设定为刚 性体 。内外两个护角板在受到垂直于板面 的压力 时，两板会产生一定的形变 。卡扣钉在这一过程 中将 内外护角板紧密连接在一起，以保证 内外护 角板不出现 明显 的形变和位移 ，最终满足护角板 功能上的要求。蜂窝纸板施加在 内外护角板上的 力不是均匀分布的。内外护角板上的外力载荷分 驰 装 - 布应 以卡扣钉形成的面的中线为轴 。外护角板的 侧边 受力最大 ，
8、向外护角板 的L 型拐角方 向，载 荷逐渐减小 。方 向垂直于板面指 向纸箱外侧 。内 护角板的载荷分布与外护角板刚好相反。方 向垂 直 于板面指 向纸箱 内侧 。 由于卡扣钉 的连接 作 用 ，使 内、外护角板 的应力分布与上述分析存在 差别 。具体的差别可 以通过仿真分析得出。 根据传统的方法对卡扣设计进行 的相关计算 都要依据三个假设 。即线性弹性、均质和各项 同 性。事实上塑料的特性不能满足这些假设。因此 用传统的卡扣设计方法会产生较大误差。 采用有限元方法对塑料护角和卡扣进行结构 静力分析 。结构静力分析是有 限元法的基本应用 领域，适用于求解惯性及阻尼对结构影响不显著 的问题 。主
9、要用来分析 由于稳态外载荷所 引起 的 位移、应力和应变等。结构静力分析分为线性静 力分析和非线性静力分析 。结构 的非线性 问题指 结构的刚度随其变形而改变的分析 问题 。实际的 所有物理结构均是非线性的，而线性分析只是一 种方便 的近似 。由于非线性系统的响应不是所施 加载荷 的线性函数，因此不能通过叠加来获得不 同载荷 的解 。每种载荷都必须作为独立的分析进 行定义和求解。在结构力学模拟 中有三种非线性 来源：几何非线性、材料非线性、边界非线性。 其 中材料非线性是 由于材料的应力应变关系导致 结构相应的非线性。 为了准确地评估塑料护角的力学性能，需要 建立其三维模型利用C A E 软件
10、对三维模型进行有 限元分析。该模型可在c A E 系统中构建 ，也可 以 直接利用C A D 系统中 已经创建的模 型。由于塑料 护角 的结构较为简单，可直接在C A E 系统 中构建 模型。A b a q u s 是功能强大的有限元软件 。能很好 地 完成对非 线性 结构静力 学 问题 的仿真分 析 。 A b a q u s 有 限元分析包括三个步骤：前处理、计算 分析和后处理。 塑料 护角选 用A B S 工 程塑料 。弹性模 量为 1 7 6 E 9 ，泊松 比为0 3 5 ，应力一 应变值如表一所 不 o X Y X Y O 1 2 7 9 2 0 4 9 2 0 3 8 3 5 2
11、 2 5 2 6 0 5 1 3 9 2 4 55 7 0 7 1 9 3 2 6 5 8 3 0 9 24 5 2 9 61 6 1 2 32 1 3 1 63 2 1 4 36 8 3 3 6 4 4 1 6 41 3 3 5 65 2 1 8 45 4 3 7 6 5 7 表一A B S I程塑料应 力一 应 变值 从表 一 中可 以看 出A B S 工程 塑料 具有 明显 的材料 非线 性特性 。因此在有 限元分 析 中选用 A b a s u s S t a n d a r d 求解器进行分析 。卡扣钉与内 外塑料护角之间在受力过程中，不应产 生大的位 移 ，因此采用T i e 方式
12、绑定在一起 。仿真中外力 载荷直接作用于蜂窝纸板面上，垂直于纸板面 ， 指 向纸箱外侧 。为便于求解，将载荷仅施加在如 图二所示 的深色矩形区域 内，矩形区域 内载荷均 匀分布 。 雹二护镪和蜂 窝纸板的装配影式及诤力施加 3 结果分析 经过A b a q u S 的计算分析得到图三所示塑料护 角应力应变云 图。从图中可 以看出内外护角 的应 变主要发生在打孔位置 。说 明卡扣钉在 内外护角 板受力时，起到 了紧固的作用 ，避免 了内外护角 板的相对移动 。 图四是卡扣钉外表面轴 向的一条直线上各节 点的应力一 位 移 曲线 图。图示说 明卡扣钉外表面 沿轴 向的节点中，两端 的节点位移大，中间小或 无位移 。说明卡扣钉的主要应变位置出现在与内 外护角板相结合 的位置上 。这 与实际情况是相吻 合 的 。 中 国 岛 莓 l 2 0 1；2 一 1 1
