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包装技术与科学
国际期刊
包装技术与科学
Wiley Online Library 在线出版(wileyonlinelibrary.com).DOI: 10.1002/pts.2424
论文提交给 IAPRI 同行评审
堆码过程中瓦楞纸箱的垂直应变
的仿真分析
作者：西莉亚·S·L·库埃，卡利亚·达姆，格兰特·艾米，凯莉·韦德和约翰E·伯兰德
这个作品主要致力于研究和发现 压缩箱板的变形特性, 比如面板纸压缩应变，襟翼和折痕的位移。采用三维仿真模拟技术 (DIC)来分析波纹纤维板常规槽式容器侧面板的运动。研究了箱体压缩试验过程中板面的垂直位移和应变的垂直分量。用三维仿真模拟技术测量整个纸箱在压缩中的位移，可以通过测量面板与水平波纹或折痕区隔离的内平面压缩，而不必测试盒中的管段来推断或提取内平面压缩变化。 在三个有代表性的测试案例中，对两个盒式设计进行了详细的研究，今后可以将其推广到其他盒式设计中。 在峰值载荷作用下, 由应变沿箱体长板右边缘的平均垂直分量计算得出的面板的平面内压缩为试验中所用的整个十字头位移的3%至6%。在峰值负载时，与底箱襟翼或折痕区挤压有关的箱体压缩部分在不同情况下占整个十字头位移的48%至59%。分析表明，箱体的垂直位移主要发生在顶部和底部的波纹上，这些波纹是箱体表面表面刚度低的原因。版权所有copy;2019 John Wiley amp; Sons, Ltd。
2018年1月14日 收到，2018年12月4日修订，2018年12月17日接受
关键词：纸箱耐压性能；瓦楞纸板；仿真分析
1 引言
瓦楞纤维板包装是出口产品运输的常用介质。对于不能承重的产品，工业惯例是在产品上方的包装中加入顶空容积，以便在包装因托盘堆叠而承受压缩载荷时，将对产品的损害降至最低。顶空高度是一个重要的考虑因素，因为包装在使用过程中可能会经历显著的垂直压缩。
在测试瓦楞纸板箱的设计时，重点是比较所承受的峰值压缩荷载和箱的压缩强度，并且要求变形与峰值荷载满足TAPPI T804和ASTM D642标准。在比较箱式设计的性能时，应更加重视检查垂直压缩的大小，因为当垂直位移值超过临界变形的25.4毫米或允许填充货包的顶部高度时，可能达到峰值负载。
纤维板装运容器的压缩测试标准T804和D642中规定，在初始预载时，纸箱的垂直方向和轴向压缩响应应校准为零，使试板与盒状标本完全贴合（即盒状标本的顶部和底部襟翼是平整的，试板的水平折痕与盒状标本完全接触）。在标准T804和D642中规定，单壁箱的预载量为223升（50磅），多壁箱的预载量更高。虽然这规范了箱式压缩的测试，但忽略了箱式的垂直轴向压缩到预载量的影响。
在箱型式压缩试验中，水平折痕或折线比远离水平折痕边缘的剩余区域对垂直位移的相对影响要大得多，正如彼得森和施密普芬宁在其对管式和常规槽式的可修改边缘条件纸盒的压缩强度的研究中首次观察到的那样。贝尔蒂等人在纸板包装的静态压缩试验和有限元模拟中也证明了这一点，并对面板、包装顶部、中部和底部的单独压缩段以及压缩的整个包装的结果进行了比较。他们发现，包装的上下部分的强度低于包装的中间部分，这被认为是因为包装顶部和底部存在水平褶皱。
罗曼的一项重要研究解释了折痕或折痕线在将载荷从水平襟翼转移到盒子的垂直面板上的作用。在该研究中，用一种专门研制的测试夹具测量了折痕板的轴向压缩响应和折痕处的偏心力矩。研究发现，轴向压缩响应的大小主要受限于折痕区的轴向变形。由于几何上的轻微弯曲，试样最初的折痕区不与加载或支撑面接触。试样弯曲变形，直到折痕区完全接触水平加载面，观察到最低有效轴向刚度。超过该点后，试样的垂直部分承受轴向压力，有效轴向刚度增加。
在弗兰克对关于瓦楞纸板箱压缩的广泛文献的调查中发现，刻痕轮廓和襟翼的影响以及它们与模型是一个需要进一步研究的课题。正如弗兰克在调查中引用的许多研究人员所观察到的那样，没有襟翼的管结构在峰值载荷下比带襟翼的类似尺寸的盒子具有更高的压缩强度和更小的变形。这可以用边界条件来解释，在同样的边界条件下，管的边缘作为刚性支撑，抵抗弯曲，而襟翼作为一个简单的支撑边缘，可以改变施加的载荷方向，并允许面板弯曲。随着面板弯曲，载荷转移到旋转受到限制的角落，增加这些区域的应力。
波纹纤维板的有限元建模一直是一个广泛的研究领域，布兰克莉等人在其波纹纤维板和带襟翼箱的有限元模型中，采用均匀化方法建立了波纹纤维板的等效材料模型。通过对折线附近节点的几何修正，建立了箱形折线模型，在不对比模型和实验变形的情况下，对箱形模型进行了非线性静态分析，得到了箱形折线模型的特征值屈曲荷载和极限压缩荷载。
汉，帕克和法蒂基等人对通风瓦楞纸板包装进行了有限元模拟，研究了通孔设计对压缩强度的影响，并通过实验验证了这一点。
汉和帕克在建模中将盒子结构设计为无襟翼的管状结构，盒子的底部边缘没有垂直位移，而顶部边缘具有恒定垂直位移，以模拟顶部到底部的压缩。模型中考虑了应力分布，但未考虑变形。
法蒂基等人在建模中将整个伸缩式苹果盒设计为单零件几何模型。比较了各种通孔设计中，几何模型的特征值，屈服载荷和试验的压缩强度。
阿拉索和斯瓦尔德开发的有限元瓦楞纸板面板模型是详细的几何模型，能够预测面板的局部屈服。他们的工作还包括利用带立体成像的数字摄影或数字图像相关技术（DIC）进行的面板压缩实验，以获得面板四分之一的三维变形。
哈格兰德等人使用三维DIC技术测量了边缘加载瓦楞纸板面板从两个相对侧的全场变形，以观察面板屈服状态的厚度变化。阿斯兰德等人和哈格兰德和卡尔松使用三维DIC技术观察瓦楞纸板压缩时的应变分布，应变局部化导致褶皱的形成。
威格尔等人改变了一系列G槽瓦楞纸板和折叠板（纸板）箱的压缩，以研究箱的几何结构对屈服性能的影响。他们考虑了箱形周长、底座和面板的长宽比以及箱形高度对压缩应力、应变和屈服模式的影响，并观察了波纹板褶皱区域局部屈服和分层的损伤机制。
威格尔等人利用数字图像立体关系，在压缩中得到了瓦楞纸板盒相邻的两块板上的3D位移、表面应力和应变场。
威格尔和杜蒙特用三维DIC技术研究了瓦楞纸板箱的弹性后屈曲行为。他们检查了面板上的应变场、平面力、弯曲和扭转力矩，并建立了基于运动场的边界条件分析后屈曲板模型。盒子的主要装载区域被确定为沿水平和垂直面板边缘的压缩，面板中心的张力和弯曲，以及面板角附近的剪切和扭转。
周、刘、邵等人用三维DIC技术测量包装材料的拉伸性能、伸长、刚性、撕裂强度和振动频率等力学性能。
目前的研究是在模型预测和作者先前未发表的研究中的实验在面板压缩刚度上的明显差异的基础上展开的。在作者之前未发表的研究中，压缩试验结果与模型的比较以及试验中记录的压缩载荷与十字头位移以前用作面板压缩的测量。先前未发表的研究中的面板压缩有限元模型给出了更低的垂直位移预测，但给出了峰值破坏荷载的合理估计。目前，如试验中所进行的那样，面板模型不考虑襟翼折叠处的刻痕边缘及其相关的刚度和破损。
目前的工作考虑了如何将压缩试验期间的十字头位移与垂直加载面板水平刻痕边缘的局部挤压以及面板的平面内压缩导致的位移隔离开来。三维DIC技术被应用于这项工作，因为它是一种非接触测量技术，可用于检测压缩盒面板的3D运动。使用这种方法，可以分别测量面板的平面内压缩量和盒子水平褶皱压缩引起的位移。
2 实验
进行箱型压缩试验，以证明面板的平面内压缩是如何独立于襟翼褶皱挤压产生的位移进行测量的。箱面板的位移和垂直面内应变通过三维DIC技术进行检验。
2.1 试样制备
用于压缩试验的盒子样品是商业化制造的常规开槽容器，其单壁波纹纤维板槽、纸成分、尺寸等详细信息如表1所示。BTR型箱采用旋转式和刚性支撑压盘进行试验，PCA型箱仅采用刚性支撑压盘进行试验。
表1 箱型波纹纤维板槽、成分、比重和尺寸
|
箱型 |
楞型 |
比重,,面纸，芯纸，里纸 |
长/mm |
宽/mm |
高/mm |
长面板长宽比L/D |
|
BTR |
C |
200 /160/250 |
380 |
245 |
295 |
1.29 |
|
PCA |
B |
169/ 115/172 |
380 |
247 |
223 |
1.70 |
这些盒子是从制造商处拆下并在实验室组装的，盒子的长襟翼折叠在短襟翼上并用胶带固定。试验前，根据TAPPI的T402标准制备试样，在22°C至40°C、10%至35%相对湿度下预处理24小时，并在23°C、50%相对湿度下处理72小时。在试验中摄像机正对盒子的长面板表面，通过将表面涂成白色，并将随机散点图案的贴花（薄膜）粘贴到其表面上，为三维仿真模拟技术（DIC）做准备（参见图1）。
图1 商业常规BTR型瓦楞纸箱，单层C型瓦楞，面纸200 ，芯纸160 ，里纸250 。面板涂白色和贴花板，粘贴随机散点图案。
白色油漆必须足够，以便背景面板与透明贴花板的斑点图案形成清晰对比。对面的长面板，带有胶合边缘或制造商的接头，在盒子的背面，不在摄像机的视野中。
2.2 箱式压缩试验
在23°C、相对湿度为50%的标准条件下，使用专门设计的带螺旋压力机和1000-kg称重传感器的箱型试验机对箱型试样进行压缩试验。采用旋转式压盘和刚性支撑压盘对BTR型箱进行了测试。PCA型箱仅用刚性支撑板进行测试。
对于旋转板状态，根据ASTM D642标准中要求的旋转板，使用带有球和杯形接头的浮动上板，允许箱顶部自由旋转。在试验开始前，上板用99.1 N的重量预加载箱一分钟。
在压缩测试期间，使用与照明相关的数字图像和图2所示的双点灰色GRAS - 50S5M - C 500万像素单色相机设置来拍摄带有斑点图案的盒子面板的图像。相关解决方案的VIC - 3D软件用于捕获DIC图像。照明需要均匀，以避免面板上的亮点和反射。摄像机的水平间距为400 mm，摄像机之间的中点位于盒子面板的中心。摄像机中点到盒子的距离是1800毫米。摄像机孔径是f4。焦点进行了调整和固定，以便进行测试。相机间距和到盒子的距离的选择使得被成像的面板占据了很好比例的视场并聚焦。
在每个特定设置开始时，首先将刚性校准目标（即在已知间距的白色背景上具有规则黑点网格的平板）移动到将由立体摄像机对定位和成像的面板面位置，并用于分析校准DIC图像。DIC设置的分辨率由图像的比例和分辨率以及从像素到长度单位的转换决定，精度限制为一个像素。拍摄的DIC图像为2448times;2048像素。
对机器进行速度控制，以12 mm/分钟的速度进行试验，直至试验终止。并在试验过程中记录箱型试验机施加的力和十字头位移。
图 2（l）压碎的盒子样品，在盒子测试仪中带有斑点板（无压板），并在白色薄板后面安装灯具，以实现均匀照明。（R）3D DIC双摄像头设置
2.3 DIC数据分析
DIC的立体图像在相关解决方案的VIC - 3D软件中进行后处理，以获得位移和应变数据，以及压缩中盒子有斑点面板面上相应点的空间坐标X、Y、Z。面外位移W数据是绝对的，因为其校准是相对于参考平面进行的，该参考平面被定向为通过参考图像(第一幅图像)的最佳拟合。在测试期间，图像每秒钟拍摄一次。将每幅图像的各种空间坐标测量数据导入Matlab软件进行分析。面板边缘附近的不良数据被清楚。且应该注意的是，DIC的边界没有到达面板表面的边缘。
为了检查面板面的面内垂直压缩，应变的垂直分量沿面板的垂直方向平均。因为初始面板高度是已知的,面板表面的平均垂直应变便可用于计算面板的平面内垂直压缩。
盒子测试器十字头位移与DIC获得的面板表面的平均垂直应变和垂直位移V进行了比较。
3 结果与分析
文中较详细地介绍了用旋转台板进行BTR箱设计压缩试验的结果，以验证试验结果的分析。最后在第3.3节给出了用刚性支撑板进行的BTR和PCA箱设计压缩试验的剩余试验结果，以证明该方法在不同箱设计中的应用。
3.1 箱式试验机输出
对于用旋转压板测试的BTR盒子，盒子压缩施加的载荷和盒子测试器的十字头位移如图3所示。在十字头位移为16.9 mm时，记录的峰值载荷为5.17 。载荷十字头位移曲线显示出明显的特征，可用于匹配箱式试验机和DIC的数据。在测试开始时，有一个低刚度区域，是由于上压板开始压缩盒子时被调平的襟翼是不均匀的。ASTM D642规定的222 N预载以下的位移通常不包括在标准测试中的位移测量中。有一个过渡到曲线斜率最高的线性区域。其次，在峰值荷载与局部屈曲相关之前，坡度减小。随后，箱子被压溃，负载急剧下降，从箱子角落开始的折痕导致箱子压溃。
图 3 用旋转台板测试的BTR箱的压缩载荷与十字头位移的压缩测试输出
3.2 DIC输出和分析
图4显示了在Matlab中使用DIC图像数据生成的峰值载荷为5.17、时间为53秒、面板中心
资料编号：[4125]
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