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蜂窩紙板是一種紙質(zhì)蜂窩夾層板，屬于環(huán)保型緩沖包裝材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、承重大等優(yōu)點(diǎn)，可制作包裝箱、襯墊、托盤，在運(yùn)輸包裝領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，可替代泡沫塑料郭彥峰、張改梅、曾克儉等研究分析了蜂窩紙板的靜態(tài)壓縮特性、緩沖防振性能，但未涉及蜂窩紙板結(jié)構(gòu)有限元分析。由于組成蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的芯紙和而紙的纖維在空間結(jié)構(gòu)、排列及取向等方而不均勻、差異較大，導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，不宜采用彈性薄板理論。故本研究探討蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，并利用ANSYS軟件模擬分析這種結(jié)構(gòu)的平壓性能。
絕大多數(shù)紙板類緩沖包裝材料及其結(jié)構(gòu)具有各向異性，其靜態(tài)壓縮變形過程具有非線性特征，包括材料非線性、結(jié)構(gòu)非線性和狀態(tài)非線性。因此，可把蜂窩紙板結(jié)構(gòu)近似處理為具有各向異性的夾層板結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，研究蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的實(shí)體建模、單元屬性、網(wǎng)格劃分等有限元建模方法。
由于蜂窩紙板結(jié)構(gòu)規(guī)則、對(duì)稱性較強(qiáng)，在有限元軟件ANSYS中采用“自底向上”法建模，先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后連接成線，再拉伸生成而，形成連續(xù)的半蜂窩結(jié)構(gòu)，通過鏡像和復(fù)制處理，得到蜂窩夾芯模型。生成蜂窩夾芯之后，再單獨(dú)生成上、下兩層而紙，然后對(duì)蜂窩夾芯、而紙進(jìn)行粘貼組合，最終獲得蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型。蜂窩夾芯、而紙的接觸部分較為復(fù)雜，若處理不當(dāng)，容易導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不收斂。因此，在建模過程中，應(yīng)充分利用ANSYS自帶的高級(jí)建模方法—布爾操作(如搭接、粘貼命令)，通過布爾運(yùn)算修改模型，使接觸部分結(jié)構(gòu)更為合理，保證網(wǎng)格劃分時(shí)能夠生成規(guī)則的網(wǎng)格形狀。蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的有限元實(shí)體模型。在ANSYS中，也可以對(duì)不同參數(shù)的蜂窩紙板結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，給每一個(gè)參數(shù)定義一個(gè)實(shí)參數(shù)，當(dāng)該參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，只需要修改對(duì)應(yīng)的實(shí)參數(shù)。
有限元模型的參數(shù)設(shè)置包括選擇單元類型、定義單元實(shí)常數(shù)、定義材料屬性。殼單元適合于紙板類緩沖包裝材料及其結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題分析，考慮到蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的平壓性能分析是一個(gè)復(fù)雜的非線性問題，不易收斂，故選擇She11181單元類型。該單元類型是一個(gè)4節(jié)點(diǎn)的四邊形薄板殼結(jié)構(gòu)，含有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)含有6個(gè)自由度，即y方向上的3個(gè)平動(dòng)自由度和x、y軸的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的單元實(shí)常數(shù)包括而紙、芯紙的厚度，蜂窩夾芯6個(gè)而的厚度不全相同，有兩個(gè)而為雙層厚度，其余4個(gè)而為單層厚度本文選用的而紙是厚度0.49mm的牛皮紙，芯紙是厚度0.2mm的瓦楞原紙，在定義而紙、單而夾芯和雙而夾芯的實(shí)常數(shù)時(shí)，其厚度分別設(shè)置為0.49, 0.2和0.4mm。
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)。蜂窩紙板結(jié)構(gòu)的態(tài)壓縮變形規(guī)律具有明顯的彈塑性特征，有限元ANSYS軟件提供了多種塑性材料模型選項(xiàng)，通過比較分析，雙線性等向強(qiáng)化(BISO)、多線性等向強(qiáng)化(MISO)這兩種塑性材料模型都適用于蜂窩紙板結(jié)構(gòu)，可根據(jù)情況自行選擇雙線性等向強(qiáng)化(BISO)材料模型需要輸入的材料參數(shù)包括彈性模量、剪切模量、泊松比、屈服極限選用雙線性等向強(qiáng)化(BISO)材料模型，輸入的而紙和夾芯的參數(shù)，E表示彈性模量.G表示剪切模量，U表示泊松比，q表示屈服極限。
對(duì)于蜂窩紙板結(jié)構(gòu)，在選取單元數(shù)據(jù)時(shí)而的選取比較麻煩，可通過分析各個(gè)而坐標(biāo)位置的不同，采用選擇命令，先選擇出單元數(shù)據(jù)相同的而，然后定義材料類型和實(shí)常數(shù)，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分蜂窩紙板結(jié)構(gòu)規(guī)則，首先考慮使用自由網(wǎng)格劃分方法。自由網(wǎng)格劃分后的模型在而紙的邊緣處生成一些退化的三角形單元，這會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于正六邊形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，通過連線進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分很麻煩，而自由網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格形狀規(guī)則。因此，本文組合使用這兩種網(wǎng)格劃分方法，對(duì)正六邊形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)使用自由網(wǎng)格劃分，其它部分采用映射網(wǎng)格劃分。
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