Page 196 - 《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

Single-layer honeycomb
12 Single-layer honeycomb 72 Double-layer honeycomb
Double-layer honeycomb Triple-layer honeycomb
10 Triple-layer honeycomb 60
Peak force/kN 8 6 Maximum acceleration/g 48

36
Monitor
Medical device
4 24 Mechanical adjustment
device
2 12
20 30 40 50 60 70 80 5 10 15 20 25 30 35
Impact energy/J Static stress/kPa
(a) Peak force vs. impact energy (b) Maximum acceleration vs. static stress

图 23 不同构型蜂窝结构的抗冲击性能
Fig. 23 Impact resistance performance of honeycomb structures
对表 6 中的数据进行处理，得到最大加速度-静应力点，利用三次函数拟合得到该结构的最大加速
度-静应力曲线 [26] ，如图 23(b) 所示。可以发现，当静应力范围为 6.92～15.68 kPa 时，相同静应力的条件
下，单层蜂窝的最大加速度值最小，三层蜂窝的最大加速度最大，说明单层蜂窝能在该区域内保护相同
质量但脆值较小的产品；当静应力大于 15.68 kPa 时，相同静应力的条件下，三层蜂窝的最大加速度值最
小，且远小于单层蜂窝，双层蜂窝的最大加速度同样小于单层蜂窝，但因更早进入致密段且大于三层蜂
窝的最大加速度，所以三层蜂窝能在该区域内保护更多脆值较小的产品。
通过对比指标结果可知，单层纸蜂窝在小能量冲击工况中，动态缓冲特性更好，更能保护产品；多层
纸蜂窝在较高能量冲击中，动态缓冲特性更好，在保护产品方面更具优势。通过合理组合，更能有效应
对包装跌落问题。
3.2 多层蜂窝缓冲结构的设计方法
当产品在一定高度跌落时，结合多层纸蜂窝结构的最大加速度-静应力曲线与产品脆值，确定多层
纸蜂窝结构的有效保护区，根据产品质量和脆值，选择蜂窝结构的面积。
例如，当某质量为 20 kg、脆值为 23g、底面积为 0.01 m 的产品在 350 mm 高度跌落时，通过利用蜂
2
窝结构的最大加速度-静应力曲线，选择三层纸蜂窝进行保护。因为单、双层纸蜂窝所能保护产品的最
小脆值分别为 30g、24g，故无法保护脆值为 23g 的产品。
为了选择合适的包装结构，需根据试验得到结构最大加速度-静应力曲线，需要消耗大量的试件和
时间，若更改结构的参数，还需重新进行试验，包装设计流程周期变长。故考虑利用仿真软件的高效性
达到快速设计的目的，根据提供的纸张材料参数、结构信息等，利用仿真软件得到蜂窝结构的最大加速
度-静应力曲线，结合产品的脆值等信息，逆向选择结构，大大提升包装设计迭代速度。
选用质量为 12.25 kg、脆值为 24g（最小的关键部件脆值）的产品，产品刚体化，在 350 mm 高度跌落，
蜂窝结构与产品之间无黏接接触，二者以相同的速度 2.6 m/s 撞击地面。包装保护结构为三层纸蜂窝，根
据最大加速度-静应力曲线（图 24），脆值 24g 对应的静应力为 18.7 kPa，因此设计包装结构的蜂窝面积为
80 mm×80 mm，该结构的产品保护区如图 25 所示。若产品的脆值和质量均在保护区域内，包装结构能够
保 证 加 速 度 响 应 不 超 过 产 品 的 脆 值 ； 若 位 于 危 险 区 ， 则 不 能 很 好 保 护 产 品 。 另 建 蜂 窝 面 积 为
50 mm×50 mm 的包装结构进行对比，为了验证该设计方法的有效性，利用本文建立的有限元模型（图 26）
进行跌落模拟后提取加速度这一关键信息，与产品脆值进行比较，验证方法的有效性。
在 模 拟 结 果 中 提 取 跌 落 过 程 中 产 品 参 考 点 处 的 加 速 度 - 时 程 曲 线 ， 如 图 27 所 示 。 蜂 窝 面 积 为
8 0 m m × 8 0 m m 时 ， 产 品 的 最 大 加 速 度 为 2 3 . 6 g ， 小 于 产 品 脆 值 2 4 g ， 产 品 安 全 ； 当 蜂 窝 面 积 减 为
50 mm×50 mm 时，产品的最大加速度远高于其脆值，结构不能安全保护产品。这证明了三层蜂窝设计方
法的有效性。

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