Page 195 - 《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

(3) 致密阶段。因冲头的冲击能量较小，无法使单层纸蜂窝压至致密段，故无法在图上发现应力陡
增的现象。当冲击能量足够时，经过前两阶段后，一旦蜂窝壁层间完全贴合，进一步的压缩只能通过蜂
窝壁材料的体积压缩来实现，刚度陡增，力值显著上升。
双层与三层纸蜂窝在大质量落锤冲击下，变形过程与单层纸蜂窝类似。双层纸蜂窝受落锤冲击下，
20 mm 厚纸蜂窝由于长细比大于 10 mm 厚纸蜂窝，20 mm 层更为容易发生失稳，率先屈曲，当 20 mm 纸
蜂窝进入致密段后，10 mm 纸蜂窝再通过形成塑性铰进行吸能，直至 10 mm 纸蜂窝进入致密段；三层纸
蜂窝的每层厚度均为 10 mm，长细比一致，但落锤冲击的应力波从冲击面传入，先在与锤头接触的顶层
与中间层纸蜂窝内传递，同时蜂窝芯波速低，应力主要存在于在顶层与中层，形成应力峰值。当顶层与
中层的纸蜂窝有效吸能结束后，底层结构再吸收能量，整体再进入致密段，若锤头冲击能量仍未被完全
吸收，则会出现力值陡增的情况。

3 基于脆值理论的多层纸蜂窝缓冲结构设计

3.1 多层蜂窝结构的脆值曲线
在包装领域，脆值（G）被定义为：产品在不发生物理损伤或功能失效的前提下，所能承受的最大加速
度值，通常以重力加速度 g 的倍数表示，脆值把“产品易损性”量化成加速度指标，是运输包装设计的
第一输入参数。为了利用脆值设计出厚度、面积和材料都最优的缓冲包装结构，脆值需与材料动态缓冲
吸能特性共同使用。
通过选取最大加速度-静应力曲线和峰值力这两个指标评价纸蜂窝结构的动态冲击试验中结构的
动态缓冲吸能特性。动态落锤试验中的峰值力，是指落锤以一定速度撞击试样时，由力传感器记录到的
瞬时最大冲击力，它反映了试样在极短时间内所承受的最高载荷，常用于表征材料的抗冲击强度或结构
的瞬时承载极限。
最大加速度-静应力曲线，是落锤冲击试验中用来描述缓冲材料动态缓冲特性的核心曲线，以锤头
静置在试件上时试件受到的静应力 σ stati c 为横坐标，以重锤撞击过程中测得的锤头最大加速度 G m [21] 为纵
坐标，通过改变砝码质量，得到一条下凸形曲线。
静应力 σ c 和 G 的计算公式如下：
m
stati
mg a m F m
σ static = G m = = (6)
A g mg
2
式中：m 为落锤质量，重力加速度 g=9.8 m/s ，A 为试样受冲击面积， a m 为最大加速度， F m 为冲击荷载峰
值。计算结果如表 6 所示。

表 6 落锤试验最大加速度和静应力结果
Table 6 Results of maximum acceleration and static stress from drop weight tests

静应力/kPa 最大加速度/g
落锤质量/kg
单层纸蜂窝 双层纸蜂窝 三层纸蜂窝 单层纸蜂窝 双层纸蜂窝 三层纸蜂窝
6.92 6.78 6.78 6.78 51.2 59.6 71.0
10.68 10.47 10.47 10.47 43.9 54.4 55.8
15.68 15.37 15.37 15.37 30.0 31.7 37.5
20.72 20.30 20.30 20.30 58.3 26.0 18.3
23.80 23.30 23.30 23.30 25.3 16.0

图 23 为冲击能量与峰值力之间的关系。如图 23(a) 所示，随着冲击能量的增加，3 种结构的纸蜂窝
未进入致密段前，力的最大值均无太大变化，且都为弹性段最大值；当冲击能量超过 53.8 J 时，随着冲击
能量增加，单层纸蜂窝峰值力陡增，远超弹性段峰值，而多层纸蜂窝结构的力峰值仍较为稳定。

061441-14