基于含水率和应变率效应的纸蜂窝结构能量吸收模型研究

纸蜂窝材料以其环保、质轻、价廉、成型性好、强度高、缓冲性能优等特点广泛应用于包装领域。然而使用纸蜂窝材料进行包装设计缺乏相应的理论指导。本项目以六角形纸蜂窝夹层板为研究对象，采用规律-机理-表征-优化设计的思路，对纸蜂窝结构的压缩变形规律和吸能机理进行基础科学研究，分析其能量吸收机理，建立其力学理论预测模型，并用有限元软件仿真其力学性能；考虑材料结构几何参数和应变率，求解纸蜂窝结构平台应力；研究含水率对蜂窝原纸弹性模量的影响规律，建构蜂窝原纸弹性模量与含水率之间的关系方程；在此基础上，综合考虑纸蜂窝结构几何参数、应变率和含水率，构建三维能量吸收图来表征纸蜂窝材料的缓冲吸能特性，从理论上构建纸蜂窝材料能量吸收模型，建立一套纸蜂窝材料缓冲性能的分析理论与方法。本项目旨在揭示纸蜂窝材料压缩变形规律和缓冲吸能机理，为纸蜂窝材料缓冲优化设计实际应用中的结构设计和材质选择提供科学判据。

本项目名称为：基于含水率和应变率效应的纸蜂窝结构能量吸收模型构建，项目执行期为：2010年1月至2012年12月，该项目主要考虑物流过程中的温湿度变化和随机冲击事件，对纸蜂窝结构的压缩变形规律和吸能机理进行了基础科学研究，总结了纸蜂窝材料能量吸收性能影响因素和规律，分析了纸蜂窝结构材料能量吸收机理，用分段函数构建了纸蜂窝结构力学理论预测模型；考虑材料结构几何参数和应变率，本项目求解了用蜂窝原纸弹性模量标定的纸蜂窝结构平台应力评估方程；研究了含水率对蜂窝原纸弹性模量影响规律，构建了蜂窝原纸弹性模量与含水率之间的关系方程；综合考虑纸蜂窝结构几何参数、应变率和含水率，构建了能量吸收图来表征纸蜂窝材料的缓冲吸能特性。借助本项目开发的能量吸收图，无需大量的试验，就可以预测纸蜂窝结构材料在不同的温湿度、不同的冲击条件的力学性能和能量吸收特性。本项目在纸蜂窝结构能量吸收特性及其预测方面发表或已录用论文10篇，其中波纹状纸蜂窝结构的温湿度效应和能量吸收特性发表在《武汉理工大学学报（材料科学版）》、《International Journal of Sandwich Structure Materials》、《Journal of Journal of Reinforced Plastics and Composites》 等SCI收录期刊上的论文为3篇，目前SCI收录1篇，EI收录5篇，其中有三篇分别在ICMSEA2011、国际运输包装年会2011、IAPRI2012等国际会议上进行了交流；在纸蜂窝材料能量吸收图应用方面申请发明专利4项，目前已授权2项，已进入实质性审查阶段的专利2项；在纸蜂窝材料包装优化设计方法方面申请软件著作权1项。该项目的研究结果为纸蜂窝材料在包装上的优化设计提供了理论依据，对于适量包装设计具有重要的意义。