蜂窝纸板具有质量轻、能量吸收强与环保等特点,近年来广泛应用于运输包装、建筑等,其中蜂窝纸板面内承载、抗弯性能是保证其加工制品机械力学性能的关键。蜂窝纸板面内压缩与面外弯曲时,蜂窝纸芯与面纸受力形式复杂,其变形机理及承载性能表征是蜂窝纸板应用的基础,为此开展蜂窝纸板面内压缩与面外弯曲等理论与工程应用研究具有重要的工程价值。本课题重点考虑蜂窝纸板包装件在物流环境条件下的准静态力学行为,从蜂窝纸板面内准静态压缩承载与纸板梁面外抗弯机理、承载模型表征、蜂窝芯层结构创新设计与表征等方面进行深入研究,建立了蜂窝纸板面内承载理论模型、面外抗弯理论模型,设计了增强型蜂窝芯层结构并进行表征。研究工作主要包括:(1)蜂窝纸板面内承载机理及性能影响分析。基于不同材料及结构参数的蜂窝纸板面内承载试验,分析其面内承载机理。在此基础上应用灰关联熵理论对蜂窝纸板面内承载力影响因素进行评价,得出面纸定量、蜂窝孔径和纸板厚度对承载性能影响的主次关系和影响程度。研究表明,纵向和横向承载中芯层和面层屈曲分别呈现不同的规律性变形且纵向压缩主要由斜向单壁及面层承载,横向压缩则主要由双层胞壁、单层胞壁、面层共同承载。面纸性能、纸板厚度对蜂窝纸板弹性模量影响较大,面纸性能、孔径尺寸、纸板厚度对平台应力、最大吸收能量影响均较为显著。(2)蜂窝纸板面内承载性能的理论表征。在蜂窝纸板面内承载机理及性能影响分析的基础上,应用塑性变形、塑性能量耗散及能量守恒定理等构建纵横承载方向平台应力理论模型;结合蜂窝纸板的实际应用方式,获得蜂窝纸板面内纵横向边压强度。已知原纸的纵横屈服强度及材料的“孔径边长”、“芯层厚度”、“面层厚度”及“芯层原纸厚度”即可获得蜂窝纸板面内平台应力及边压强度。模型值与实验数据对比验证,模型吻合度较好。(3)蜂窝纸板梁面外抗弯性能的理论表征。对面外抗弯承载弹性、屈曲、坍塌变形机制开展分析,弯曲刚度、极限弯曲载荷随纸板厚度增加而增大、随孔径增加而减小,最大弯曲挠度随纸板厚度增加而减小、随孔径增加而增大。结合经典梁理论及蜂窝纸板结构、材料参数等对纵横弯曲刚度、极限弯曲载荷及最大弯曲挠度进行分析,获得蜂窝纸板纵、横两方向三点弯曲梁弯曲刚度、极限弯曲载荷及最大弯曲挠度表征方程。已知原纸的纵横弹性模量及材料的“孔径边长”、“芯层厚度”、“面层厚度”及“芯层原纸厚度”即可求解得到蜂窝纸板弯曲刚度、极限弯曲载荷及最大弯曲挠度,与实验值吻合较好,验证了模型的准确性。(4)蜂窝纸板结构创新设计及性能表征。设计了一种增强型纸蜂窝芯层结构,并完成平板粘合尺寸及制造工艺设计;通过实验分析了增强型蜂窝纸板面外准静态压缩变形机理,应用塑性变形、塑性能量耗散及能量守恒定理,构建增强型结构面外承载平台应力理论模型,得出与常规蜂窝纸板平台应力相比的增强系数模型,模型与蜂窝芯纸原纸性能、蜂窝厚跨比和原纸屈服强度系数有关。研究表明,与目前常规结构比较,增强型结构可实现机械化平板粘合生产且工艺改动小;与相同蜂窝芯层材料和孔径尺寸参数的常规结构相比,增强型结构承载性能平均提高约4倍,在相同的抗压强度条件下,增强型结构可降低蜂窝芯层材料性能要求或增大孔径尺寸,并降低了生产拉伸难度。增强型理论模型及增强系数结果与实验数据吻合度高,相对误差均低于11%。