基于SolidWorks正方形蜂窝结构面内力学性能有限元分析.docx

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基于SolidWorks正方形蜂窝结构面内力学性能有限元分析

摘要：

随着社会经济的发展,蜂窝纸板包装在我们生活中越来越受到人们重视,蜂窝纸包装逐渐渗透入人们的生活。

本文主要探讨正方形蜂窝纸板结构的有限元建模方法,并利用SolidWorks软件模拟分析这种结构的性能。

主要研究成果如下：

（1）建立厚度为20mm蜂窝窝芯为正方形结构的蜂窝纸板，并用SolidWorks自带的SolidWorksSimulation插件对蜂窝纸板进行静态模拟分析及跌落模拟试验。

从应力曲线上可以看出正方形蜂窝纸板的结构面内力学性能。

（2）在材质相同的情况下，分别对高度为10mm和20mm的正方形蜂窝纸板进行同等条件下的静态分析，我们可以发现高度越高的蜂窝纸板受到的应力越大。

（3）从两次静态模拟仿真试验及两次动态模拟仿真试验中得到的应力曲线上我们可以分析出，正方形蜂窝纸板受力时的凹凸面比平整面更具缓冲性能。

关键词：

正方形；蜂窝纸板；应力；Simulation；

Thefiniteelementanalysisofmechanicalpropertieswithinthesquarehoneycomb'sstructuresurfacebasedonSolidWorks

Student’sname:

JunjieYuAdvisor:

GuobinJin

（SchoolofLightIndustryZhejiangUniversityofScienceandTechnology）

Abstract:

Withthedevelopmentofsocialeconomy,honeycombcardboardpackaginghasgainedgreaterattentioninourdailylife.Andthehoneycombpaperpackinghasgraduallypermeatedintopeople'slife.Thispapermainlydiscussesthefiniteelementmodelingmethodofsquarehoneycombpaperboardstructure,usingSolidWorkstosimulateandanalyzetheperformanceofthestructure.Andthemainresearchresultsareasfollows:

 Firstly,aftertheestablishofathree-dimensionalmodelofsquarehoneycombwithathicknessof20mmcellularcore,proceedtothestaticsimulationanalysisusingtheplug-inofSolidWorksSimulation.Fromthepointofstresscurve,thein-planemechanicalpropertiesofthesquarehoneycombcanbeseen.

Secondly,underthesameconditionofmaterial,conductingstaticanalysisontheheightof10mmand20mmrespectivelyofsquarehoneycombcardboard,wecanfindthatthehigherofthehoneycombcardboard,thegreaterthestressitgets.

Thirdly,theconclusionwecandrawfromthestresscurve,throughtheanalysisofthetwostaticsimulationexperimentsandthetwodynamicsimulationones,isthattheconcaveandconvexsurfaceofthehoneycombboardhasbettercushioningperformancethantheflatsurface.

Keywords：

square;honeycombpaperboard;stress;simulation;

目录

中文摘要I

英文摘要II

目录III

1绪论1

1.1选题的背景依据及蜂窝纸板的研究1

1.1.1选题背景1

1.1.2蜂窝纸板的研究1

1.2研究的目的和意义2

1.3研究内容3

1.4国内外研究现状3

1.5本章小结4

2正方形蜂窝纸板的建模5

2.1应用软件介绍5

2.2模型的建立5

2.3本章小结6

3静态分析7

3.1有限元分析法7

3.2建立算例并定义材料7

3.3第一次静态模拟及结果分析与讨论9

3.3.1第一次静态模拟9

3.3.2结果分析与讨论12

3.4第二次静态模拟及结果分析与讨论15

3.4.1第二次静态模拟15

3.4.2结果分析与讨论17

3.5本章小结19

4静态对比分析20

4.1静态对比分析的目的和实施方法20

4.2高度为10mm的正方形蜂窝纸板的静态分析20

4.3结果对比分析22

4.4本章小结23

5动态分析24

5.1研究环境24

5.2第一次动态模拟24

5.3第二次动态模拟26

5.4动态模拟结果分析与讨论26

5.5本章小结27

6结论与展望28

6.1主要研究言论28

6.2论文创新点28

6.3论文不足及未来工作展望29

致谢30

参考文献31

封底

1绪论

1.1选题的背景依据及蜂窝纸板的研究

1.1.1选题背景

经过对蜂房的深入研究，科学家发现，蜂窝结构是材料/空间最大的结构，由于蜂窝结构的优越性，蜂窝结构现在已广泛的用于我们的生活领域中，在包装中也是多了很多它的影子。

随着社会经济的发展，蜂窝纸板包装在我们生活中越来越受到人们重视，现在越来越多的包装，尤其是家用电器的包装，里面的缓冲材质渐渐的被蜂窝纸板所替代，蜂窝纸包装逐渐渗透入人们的生活，取代了长久以来用于包装内缓冲的泡沫塑料缓冲包装，然而泡沫塑料不利于回收。

因此采用蜂窝纸板不但可减少对环境的污染，降低对消费者健康的损害，起到了环保作用。

1.1.2蜂窝纸板的研究

蜂窝纸板是在蜂窝状结构的芯纸的夹层上、下表面通过胶粘复合面材而形成的板材（如图1-1）。

芯纸呈蜂窝状，生产和实际以正六边形居多。

蜂窝纸板的夹芯不仅提高了板材的刚度和稳定性，而且改善了板材整体的力学性能。

图1-1蜂窝纸板结构示意图

蜂窝纸包装好处多多，质轻、强度大、刚度高，具有缓冲、保温、隔热、隔音的优异性能，并且其自身经过特殊处理而能够阻燃、防潮、防水、防霉、防静电等。

最为关键的是，蜂窝纸板制品与发泡塑料相比，节省资源、保护生态环境、用途广、前景好。

据介绍，蜂窝纸包装节材代木的应用还可制成包装箱。

而且，作为一种环保材料，它具有可自然降解，不污染环境和循环再生利用等特点。

正是由于蜂窝纸板的众多优点，尤其是在节约资源和环保价格上的优势，正日益得到世界各国政府的鼓励和支持，在推广和应用上已出现了令人鼓舞的局面。

现在对正六边形蜂窝的研究较多，本文将在前辈的研究基础上，通过SolidWorks软件对正方形蜂窝进行三维建模，同时利用其自带的SolidWorksSimulation功能对建模后的正方形蜂窝进行试验分析，从而得出正方形蜂窝结构面内的各项力学性能。

1.2研究的目的和意义

随着人类环保意识日益觉醒，地球可持续发展需求的日趋迫切，纸蜂窝制品也因其本身的环保特性而逐渐受到厂商亲睐。

自然界蜜蜂以其超然的智慧和辛勤的劳动构筑了无数形状优美的六边形蜂巢。

早在公元四世纪的古希腊，数学家佩波斯就提出：

蜂窝的优美形状，是自然界最有效劳动的代表。

他猜想人们所见到的截面呈六边形的蜂窝，是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建成的，他的这一猜想被称为“蜂窝猜想”。

而后的事实和理论均证明，蜜蜂所建造的蜂巢的确采用了最少的蜂蜡，占有最大的空间面积，而结构稳定性为最佳。

受自然蜂巢的启迪，人类通过长期研究和分析自然蜂窝结构的特点，创造性地发明了各种蜂窝复合结构材料及其制品，它们有的用于新材料和新产品的研发，有的用来改善现有产品的特性，有的用于解决结构设计中面临的难题等等。

本文主要针对正方形蜂窝结构面内力学性能的有限元分析实验研究。

因为如今大多数的研究都是针对正六边形蜂窝结构的，对其他形状的蜂窝结构的性能研究的很少。

因此我们要研究其他形状的蜂窝结构的力学性能，作为对比，只有这样我们才能更好的了解蜂窝结构的性能，更好的用到包装上去。

1.3研究内容

本文主要研究的内容为：

主要进行正方形蜂窝结构面内力学性能的有限元分析，先运用SolidWorks软件对正方形蜂窝进行三维建模，并运用其自带的SolidWorksSimulation功能对正方形蜂窝进行变形形态分析和峰应力分析，得出相关数据，并据此进行分析研究，从而得到正方形蜂窝结构面内的相关力学性能。

具体步骤为，利用SolidWorks软件模拟平压过程中，蜂窝单元结构应力分布及失效形态分析

1）对正方形蜂窝纸板进行建模；

2）对正方形蜂窝纸板进行面内变形形态分析；

3）对正方形蜂窝纸板进行面内峰应力分析。

1.4国内外研究现状

国内外对于蜂窝纸板的结构性能均做了许多的研究：

张改梅通过静态压缩和动态压缩试验，研究蜂窝纸板的静态缓冲特性和动态缓冲特性与它的蜂窝芯柱、蜂窝孔径的关系。

根据静态压缩试验所得的应力－应变曲线计算出蜂窝纸板的缓冲系数－应变曲线，根据动态压缩试验所得的最大加速度时间曲线计算出缓冲系数－静应力曲线，从而进行进一步的分析。

为包装中蜂窝纸板的尺寸设计提供一定的参考[6]。

蔡四维在《复合材料结构力学》中介绍了各向异性弹性体的基本理论和复合材料单向板、层合板弹性特性、本构关系、单向板的强度理论以及计算方法，简单讨论了湿热效应和残余应力；并介绍了复合材料层合杆和层合板梁的应力，层合板的弯曲、屈曲和振动以及层合板的开孔应力与机械连接，并对了复合材料疲劳损伤及寿命预测以及层合结构有限元数值分析中常用的板、壳单元计算方法等作了简要叙述[7]。

辛成龙、郭彦峰通过静态压缩试验,研究不同面积蜂窝纸板叠置组合的缓冲性能。

阐述了组合的蜂窝纸板的静态压缩过程,试验表明组合的方式能改善蜂窝纸板的缓冲性能。

同时还选择不同面积板组合情况进行对比分析,得出了板面积变化对整体缓冲性能的影响[9]。

郭彦峰、辛成龙、许文才等研究了蜂窝纸板结构的实体建模、单元属性、网格划分等有限元建模方法,并基于该有限元模型分析了蜂窝纸板结构的平压性能,有限元分析结果与试验结果吻合良好[11]。

黄颖为、冯俊华、孙德强等建立了正方形金属蜂窝铝芯13×8的蜂窝单元阵列有限元分析模型,研究了正方形金属蜂窝在共面压缩载荷作用下的变形形态,并分析了速度在3～250m/s时,正方形金属蜂窝铝芯的共面力学性能与其结构参数和速度之间的关系。

当结构参数固定时,正方形金属蜂窝铝芯的峰应力与速度的平方成线性关系,而当速度固定时,峰应力与壁厚边长比成幂指数关系[12]。

目前