Page 184 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 邓发杨，等： 多层纸蜂窝结构的冲击吸能机制及包装缓冲应用 第 6 期

供更好的抗冲击能力。同时，Wu 等 [16] 借鉴生物仿生设计的多梯度泡沫填充管道，通过内外诱导槽的合
理设计，有效地控制了结构变形，提高了能量吸收效率。此外，Yuan 等 [17] 关注泡沫夹芯板在剪切载荷下
的失效行为，通过提出的分析模型，预测了材料在不同载荷下的失效模式与能量吸收特性。Guo 等 [18] 对
金属泡沫夹芯圆管的研究表明，采用特定的结构组合模式，可以显著提高在内爆荷载作用下的吸能能
力，该结构的能量吸收效率明显高于传统空心管道。这些研究表明，类似蜂窝结构的多孔结构，在提高
能量吸收和冲击缓解能力方面，具有广阔的应用前景。
对于纸蜂窝这种轻质且高强的结构，在包装领域的跌落冲击场景中具有很好的应用前景，而现有蜂
窝结构包装设计大多依靠工程师经验，缺乏成熟、有效且快速的包装设计方法。针对工程中对包装结构
快速设计方法的需求，学者们引入了“脆值”这一概念。Mindlin 等 [19] 首次提出脆值概念，认为产品所
承受的峰值加速度是否超过其阈值决定了产品包装件的是否破损，这一加速度的阈值即为产品的脆
值。Newton [20] 根据破损边界概念绘制了损坏边界曲线，该曲线的纵坐标代表产品受到冲击后的易损度，
横坐标代表产品在受冲击过程中速度的变化，构建产品的破坏区域。但根据产品的破损边界曲线难以
设计包装结构且试验成本较高。曾克俭等 [21] 等通过动态跌落冲击试验，研究了不同厚度的蜂窝纸板的
动态缓冲性能，得到了动态跌落冲击试验的动态缓冲系数-最大静应力曲线，为缓冲设计的最优化提供了
一定的数据参考。
尽管现有针对包装缓冲材料与结构设计的研究在泡沫包装材料的设计方法上已取得了显著进展，
但对于蜂窝结构，尤其是多层蜂窝结构在冲击缓冲场景下的力学响应机理研究仍存在不足，特别是在针
对多层蜂窝材料的快速缓冲包装设计方法面临着理论上的滞后和适用性限制。因此，本文基于多层纸
蜂窝结构的冲击试验和数值模拟，深入解析其独特的层间协同耗能机理，并将理论性能转化为满足特定
工程指标（如脆值）的确定性方案。与大多数侧重于性能分析的蜂窝研究不同，本文拟构建一套基于目
标脆值和等厚约束下的逆向设计包装结构方法。该方法能够快速设计在相同厚度约束内性能更优的多
层构型，确保产品加速度低于脆值阈值，从而将多层纸蜂窝的应用从性能可选提升至功能可设的新阶
段，为其在产品包装结构设计中提供参考。

1 纸蜂窝结构的力学试验

1.1 样品制备

蜂窝纸板由蜂窝状芯材和面纸组成，其核
心是蜂窝状纸芯，采用木浆纸，通过粘结工艺制 R
成 空 心 六 边 形 结 构 ， 形 成 整 体 受 力 单 元 ， 其 蜂 t
格 六 边 形 边 长 L 为 5 m m ， 内 切 圆 半 径 R 为
4.33 mm，单层壁厚 t 为 0.15 mm，如图 1 所示。 L
纸蜂窝试件的面纸厚度为 0.32 mm，蜂窝纸芯与
上、下双层面纸通过涂胶法进行粘合，再经辊压
工艺紧密复合，最终制成蜂窝纸板，如图 2 所示，
其中 a 和 b 为蜂窝纸板的长和宽。
试验所用 3 种构型的蜂窝结构，分别为单 图 1 蜂窝六边形结构尺寸
层、双层和三层，其中双层蜂窝是由一层高度为 Fig. 1 Geometry of hexagonal honeycomb cells
10 mm 的带面纸蜂窝（上）与一层高度为 20 mm
的带面纸蜂窝（下）堆叠而成。三层蜂窝是由 3 层高度为 10 mm 的带面纸蜂窝堆叠而成。层与层之间通
过粘接形成整体。结构信息如表 1 所示。

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