[论文解读] Contribution to the Modelling of the Corrugated Cardboard Behaviour

Samir Allaoui, Zoheir Aboura+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2011

Material Properties and Processing参考文献 8被引用 10

一句话总结

本文提出了一种新型的正交各向同性均质化模型，用于瓦楞纸板，使二维有限元分析成为可能，从而避免了计算成本高昂的三维模拟。通过实验方法和解析均质化方法表征材料的各向异性行为，该方法在保持工程设计预测精度的同时显著降低了数值建模成本。

ABSTRACT

The current paper summarizes studies undertaken on the corrugated cardboard. In these studies, a new approach considering the corrugated cardboard as an orthotropic material is developed. This approach permits after homogenization to simplify the numerical calculations and then use a 2D meshing of the corrugated cardboard, instead of a 3D meshing. This will makes it possible to obtain less heavy and less expensive numerical dimensioning studies. The first stage of the studies was a determination of the behaviours of the sandwich and its constituents, which passes by the definition of experimental protocols. Thereafter, an analytical model was proposed and permits to predict the homogenized behaviour of the corrugated cardboard. Finally a tool of decision-making aid was proposed.

研究动机与目标

• 开发一种简化但精确的瓦楞纸板机械模型，以降低数值模拟中的计算成本。
• 通过实验测试协议表征瓦楞纸板及其组分（衬纸和瓦楞芯纸）的各向异性行为。
• 提出一种解析均质化方法，将三维层状结构转化为等效的正交各向同性二维材料模型。
• 在工业应用中实现高效的二维网格划分，而非复杂的三维网格划分。
• 通过经过验证的低成本仿真工具，支持工程决策制定，用于瓦楞纸板结构设计。

提出的方法

• 研究首先通过标准化机械测试对瓦楞纸板及其组分（衬纸和瓦楞芯纸）进行实验表征。
• 通过均质化处理，将瓦楞纸板视为正交各向同性连续体，以模拟其各向异性材料行为。
• 应用均质化技术，从层状微观结构中推导出等效弹性性能，将三维复杂性简化为二维等效性能。
• 基于组分材料性能和几何参数，解析模型预测瓦楞纸板的等效刚度矩阵。
• 将所得的二维正交各向同性模型在有限元软件中实现，以支持高效的数值模拟。
• 基于经过验证的模型，开发了一款决策支持工具，用于结构设计与优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效简化瓦楞纸板复杂的三维层状结构，以实现数值模拟？
• RQ2 需要哪些实验协议，才能准确表征瓦楞纸板及其组分的机械行为？
• RQ3 解析均质化方法能否准确预测瓦楞纸板的等效正交各向同性刚度？
• RQ4 与三维建模相比，使用二维正交各向同性模型在多大程度上降低了计算成本，同时保持了模拟精度？
• RQ5 所提出的模型如何支持包装和结构设计中的工程决策制定？

主要发现

• 所提出的正交各向同性均质化模型成功地将瓦楞纸板的复杂性从三维简化为二维，实现了高效的有限元分析。
• 建立了实验协议，以足够高的精度确定衬纸和瓦楞芯纸的机械性能，满足建模需求。
• 解析均质化方法能够可靠地预测瓦楞纸板结构的等效刚度矩阵。
• 与三维网格划分相比，采用二维网格划分显著降低了数值模拟中的计算时间和资源需求。
• 所开发的决策支持工具实现了瓦楞纸板构件更快、更经济的数值尺寸设计。
• 该模型在工程应用中表现出足够的精度，尤其适用于初步设计和优化阶段。