Page 119 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 3 期 苏萌晗，等： 不同材质包装容器在非高斯激励下的损伤分析 719

图 3 原始信号及分段信号概率密度分布及高斯拟合图
Fig. 3 Probability density distribution and Gaussian fitting diagrams of original signal and segmented signals

后续有限元分析中，将原始信号、重组信号分别
作为激励输入两种不同材料属性的包装容器模型
中，研究冲击信号对各向同性材料、各向异性材料振
动疲劳损伤的异同。

2 有限元分析

图 4 瓦楞纸箱模型
2. 1 有限元模型的建立 Fig. 4 Corrugated box model

包装内部产品的损伤与包装容器的响应直接相 表 2 瓦楞纸箱材料参数
关，所以研究包装容器在非高斯信号作用下的疲劳 Tab. 2 Material parameters of corrugated boxes
损伤，不仅有助于包装设计者选择合适的包装材料， 弹性模量/ 剪切模量/ 密度/
泊松比 ‒3
加固易损部位，保护内容物不受损坏；同时有助于优 MPa MPa （kg·m ）
化包装结构设计，提高其抗振能力，保证内容物在运 E M =504.34 G MC =244.34 μ MC =0.34
E C =790.40 G CT =22.57 μ CT =0.01 196.45
输过程中的安全性。已有研究证明 ［19］ 金属在振动信
E T =2.52 G MT =14.41 μ MT =0.01
号激励下的疲劳损伤大部分来自于振动信号中的小
部分冲击信号，本文使用瓦楞纸箱、塑料周转箱两种
表 2 中， E 为瓦楞纸箱弹性模量， G 为剪切模量，
不同材质的常用包装容器进行建模，仿真过程中，输
μ 为泊松比，下标“M”为瓦楞纸板纵向，即纸板生产
入系统的加速度激励方向为竖直向下。
线方向，“C”为横向，“T”为厚度方向。
2. 1. 1 瓦楞纸箱
建立起包装容器有限元模型后，将原始信号及
瓦楞纸箱是由瓦楞纸板经折叠、粘合而成的，瓦
前文中经过处理得到的重组信号分别作为激励输入
楞纸板不同方向的材料属性不同，可将瓦楞纸板视
ANSYS Workbench 的 瞬 态 分 析 模 块 ，进 行 有 限 元
为正交各向异性材料 ［34］ 。
分析。仿真求解结束后，得到包装容器易损点的等
目前物流中常用的邮政纸箱为 4 号邮政箱，根 效应力曲线，使用雨流计数法和 Miner 线性累积疲
据孙玉成 ［29］ 测得的该种型号 B 楞瓦楞纸箱的各项 劳损伤准则计算该点的损伤。分别计算原始信号、
材料参数，将数据参数 输 入 ANSYS Workbench 软 重组信号、20% 冲击信号和 80% 近似高斯信号所造
件中的材料属性设置模块，具体模型如图 4 所示， 成的损伤，并计算冲击信号、高斯信号所造成损伤占
模 型 材 料力学性能如表 2 所示。此模型包括上压 全部损伤的百分比。
板、瓦楞纸箱及振动台面，上压板尺寸为 400 mm× 本文使用 Miner 线性累积疲劳准则，疲劳曲线
300 mm×40 mm，瓦楞纸箱尺寸为350 mm×190 mm× 形式为：
230 mm，振动台面尺寸为 500 mm×400 mm×50 mm。 S ·N = C （1）
b
本文研究不考虑跳起现象，模型使用绑定约束，考虑 式中， b 和 C 为与材料相关的常数； S 为应力水平；
真实运输及堆码情况，在瓦楞纸箱上缘施加一个方 N 为应力幅值水平下的循环次数。
向竖直向下，大小为 1200 N 的力。 瓦楞纸板的疲劳曲线在以往研究中给出 ［29］ ：