復(fù)合材料包裝箱模塊化設(shè)計(jì)與成型技術(shù)研究

胡秀東，朱述席，劉莉莉，彭喆，類(lèi)成悅

復(fù)合材料包裝箱模塊化設(shè)計(jì)與成型技術(shù)研究

胡秀東*，朱述席，劉莉莉，彭喆，類(lèi)成悅

（北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司，北京 102101）

為了滿(mǎn)足復(fù)合材料包裝箱在交通運(yùn)輸方面的更多需求，本文研究出一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、防霉、安裝輕便快捷的復(fù)合材料包裝箱制造技術(shù)。本文通過(guò)包裝箱設(shè)計(jì)與仿真分析、產(chǎn)品表征等工序開(kāi)展研究，將包裝箱設(shè)計(jì)成4種16塊單元面板，通過(guò)材料篩選、模具設(shè)計(jì)、單元件成型工藝研究，完成面板制作，并進(jìn)行單元件質(zhì)量稱(chēng)量、力學(xué)性能表征試驗(yàn)。包裝箱總質(zhì)量較同規(guī)格金屬箱子質(zhì)量減少70%以上，力學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示實(shí)際彎曲強(qiáng)度較理論值高85.41%，泡沫加強(qiáng)筋平拉強(qiáng)度較理論值高出15.08%。研究結(jié)果表明模塊化復(fù)合材料包裝箱滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

模塊化；復(fù)合材料；真空灌注工藝；包裝箱

包裝箱作為一種運(yùn)輸、貯存產(chǎn)品載體，能夠保護(hù)產(chǎn)品的安全，在貨物運(yùn)輸和貯存方面有著舉足輕重的作用。目前，在大型民用包裝箱上以金屬材質(zhì)為主，其使用的材料主要為耐候型鋼及金屬板材。金屬材質(zhì)包裝箱作為貨運(yùn)載體，質(zhì)量比較大、運(yùn)輸成本高、能耗大。同時(shí)，廢舊箱、二手箱重復(fù)再利用難度大，易生銹、不耐腐蝕也是金屬包裝箱的薄弱之處。木質(zhì)包裝箱能夠解決金屬包裝箱不耐腐蝕的問(wèn)題，但是木質(zhì)包裝箱易燃且不環(huán)保[1-2]。復(fù)合材料包裝箱在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、可重復(fù)利用的顯著優(yōu)點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)復(fù)合材料包裝箱產(chǎn)品應(yīng)用[3]，針對(duì)小尺寸如直徑1 m的包裝箱，采用一體化工藝成型，對(duì)尺寸較大的集裝箱式包裝箱，如長(zhǎng)度為5 m乃至10 m的包裝箱，一般仍采用金屬骨架為主體，各個(gè)面利用復(fù)合材料板材通過(guò)螺栓將其裝配到骨架上的方案成型。該方案成型的包裝箱箱體笨重，使用過(guò)程需要大型吊裝設(shè)備，不適合野外等無(wú)起重設(shè)備環(huán)境下拆裝作業(yè)，且尺寸固定，無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足不同長(zhǎng)度產(chǎn)品包裝需求。為適應(yīng)新環(huán)境下需求，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)裝配效率，研制出一種具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、防霉、使用壽命長(zhǎng)、安裝輕便快捷的模塊化復(fù)合材料包裝箱，便成為一個(gè)很有意義的研發(fā)課題[4-6]。本文通過(guò)真空灌注工藝一體化成型工藝[7-9]完成一種長(zhǎng)度為5 m、寬度為2.5 m、高度為2.8 m復(fù)合材料包裝箱的制作，滿(mǎn)足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用指標(biāo)要求。

1 設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算

1.1 設(shè)計(jì)要求

本文產(chǎn)品的主要設(shè)計(jì)原則為：

1）標(biāo)準(zhǔn)包裝箱外形（長(zhǎng)×寬×高）為5 000 mm× 2 500 mm×2 800 mm，且根據(jù)需求可以方便長(zhǎng)度方向整米加長(zhǎng)。

2）保證包裝箱的剛度以及外形美觀。

3）便于2～3人手動(dòng)快速裝卸。

4）保證內(nèi)置設(shè)備的安全性。

5）箱體質(zhì)量不超過(guò)600 kg。

6）箱體金屬底板上放置15 t貨物，起吊（按2 g計(jì)算）時(shí)箱體不被破壞。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高包裝箱拆裝使用便捷性，減少對(duì)吊車(chē)等設(shè)備的依賴(lài)性，適應(yīng)更復(fù)雜的工況，本文將左、右、前、后及頂部的面板尺寸設(shè)計(jì)成以整米為單元的模塊化方案，左右側(cè)面設(shè)計(jì)成為1 000 mm×2 500 mm與2 000 mm× 2 500 mm單元面板搭接而成，頂部面板為1 000 mm×2 800 mm的單元面板搭接而成，前、后面板尺寸為2 800 mm×2 500 mm，完成長(zhǎng)×寬×高為5 000 mm×2 500 mm×2 800 mm復(fù)合材料包裝箱設(shè)計(jì)。裝配時(shí)由2～3名操作工人在2～4 h內(nèi)便可將此包裝箱快速組裝完成，若需要加長(zhǎng)包裝箱，增加側(cè)部及頂部面板單元數(shù)量即可。

包裝箱箱體單元面板厚度方向設(shè)計(jì)由“復(fù)合材料蒙皮+聚氨酯泡沫夾層+復(fù)合材料蒙皮”的“三明治”構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)單元件減量的目的，便于工人搬運(yùn)及拆裝。包裝箱主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1a，各個(gè)面的單元面板通過(guò)不銹鋼螺栓連接。

為提高包裝箱整體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止箱體頂部凹陷積水，頂部面板內(nèi)部增加“日”字型泡沫加強(qiáng)筋，形式見(jiàn)圖1b，側(cè)部面板增加2條縱向泡沫加強(qiáng)筋，形式見(jiàn)圖1c。頂部面板由1 m寬面板通過(guò)子母搭接而成，搭接位置設(shè)置凸臺(tái)，以防雨水從縫隙倒灌到箱內(nèi)，搭接示意圖見(jiàn)圖1d。側(cè)部面板亦采用上下搭接形式，搭接示意圖見(jiàn)圖1e。頂部及側(cè)部面板搭接縫隙之間黏接三元乙丙橡膠密封條，以滿(mǎn)足箱體密封防雨要求。

1.3 工藝選擇與材料篩選

1.3.1 工藝選擇與設(shè)計(jì)實(shí)施

目前復(fù)合材料成型工藝主要有低壓濕法成型、真空灌注成型、模壓成型、拉擠成型等，結(jié)合各自特點(diǎn)，本包裝箱選擇操作經(jīng)濟(jì)高效，制品質(zhì)量穩(wěn)定可靠的真空灌注工藝完成產(chǎn)品制作。真空灌注工藝是目前較常用的環(huán)境友好型工藝之一，其在復(fù)合材料制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

本包裝箱由三明治夾層結(jié)構(gòu)組成，產(chǎn)品的上、下面層為正交各向異性，F(xiàn)alaschetti等[10]和Yan等[11]利用Hagen-Poiseuille定理得到孔的等效滲透率，并將其視為孔隙率為1的多孔介質(zhì)，根據(jù)以上簡(jiǎn)化構(gòu)建出3D模型后進(jìn)行流動(dòng)仿真，同時(shí)參考玻璃纖維織物面內(nèi)各個(gè)方向的滲透率[12]情況進(jìn)行工藝鋪層和流道設(shè)計(jì)。根據(jù)理論厚度布置膠道[13-14]，過(guò)程中通過(guò)閥門(mén)控制樹(shù)脂流量[15-16]。為了進(jìn)一步提高芯材與玻璃鋼蒙皮之間的黏接性能，提高產(chǎn)品的抗彎能力，本文采取了補(bǔ)償性設(shè)計(jì)，即在芯材上開(kāi)間距相同尺寸的孔，使蒙皮與芯材的黏接不僅靠面來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可通過(guò)由孔形成的樹(shù)脂柱構(gòu)成中空立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，承擔(dān)上蒙皮、下蒙皮和泡沫之間力的連接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的增強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。下層蒙皮面板的浸漬主要是通過(guò)芯材的孔洞，在孔洞下方及孔洞之間會(huì)產(chǎn)生樹(shù)脂交匯處，空氣不易排出，孔隙率較高[17]，因此樹(shù)脂膠液配置時(shí)增加消泡劑，將多余氣體排出。

圖1 箱體結(jié)構(gòu)

圖2 芯材力學(xué)增強(qiáng)樹(shù)脂立體圖

1.3.2 材料選用

復(fù)合材料真空灌注工藝成型制品雖然優(yōu)點(diǎn)突出，但是其對(duì)原材料有著較為嚴(yán)格的要求，比如對(duì)于基體材料：適中的黏度，以（300±50）mPa·s為宜；適當(dāng)?shù)姆艧岱澹话悴桓哂?20 ℃；良好的固化制度；有足夠長(zhǎng)的凝膠時(shí)間，保證工藝的完成，而且最后能完全固化。對(duì)增強(qiáng)材料則要求有：良好的浸潤(rùn)性；浸潤(rùn)劑類(lèi)型需要與基體材料匹配；易于操作；一定的面密度與多軸向。真空耗材綜合考慮注膠管、抽氣管、密封膠條良好的耐溫性與折疊性等。本包裝箱依據(jù)上述工藝要求和工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)比篩選，確定增強(qiáng)材料選用400 g/m2和200 g/m2無(wú)堿無(wú)捻纖維布，其具有優(yōu)異的電絕緣性能和力學(xué)性能，應(yīng)用廣泛；泡沫加強(qiáng)筋選用密度為80 kg/m3硬質(zhì)聚氨酯泡沫板，其廣泛應(yīng)用于雷達(dá)罩、保溫板等夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)；基體材料選用適合真空灌注工藝的不飽和聚酯樹(shù)脂[18-19]，其放熱峰、收縮性均能很好地滿(mǎn)足工藝要求。主要材料信息見(jiàn)表1。

1.4 理論仿真分析

為驗(yàn)證箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性，根據(jù)要求對(duì)箱體進(jìn)行受力載荷理論強(qiáng)度分析。本文通過(guò)功能強(qiáng)大的有限元分析軟件ANSYS平臺(tái)對(duì)包裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分析出其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移分布[20]，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程，達(dá)到符合設(shè)計(jì)要求的目的。

1.4.1 材料特性

包裝箱采用的玻纖復(fù)合材料密度為1 900 kg/m3，、、方向彈性模量分別為16、16、6 GPa，剪切模量、、方向均為6 GPa，泊松比為0.25；聚氨酯泡沫密度為60 kg/m3，彈性模量為0.045 GPa。

1.4.2 荷載及約束

依據(jù)實(shí)際使用工況要求，將包裝箱側(cè)壁與金屬底板固定，底板上有質(zhì)量15 t的貨物，吊繩直接與底板固定，同時(shí)吊繩對(duì)包裝箱頂板在4個(gè)接觸位置產(chǎn)生擠壓作用，荷載約束及吊繩對(duì)頂板的擠壓位置詳見(jiàn)圖3。對(duì)包裝箱受力進(jìn)行仿真分析得出，在每個(gè)接觸位置吊繩對(duì)頂板沿長(zhǎng)度方向的作用力為2 812 kN，寬度方向的作用力為2 625 kN。

表1 主要原材料

Tab.1 Main raw materials

圖3 荷載約束及吊繩對(duì)頂板的擠壓位置

1.4.3 受力結(jié)果與分析

1.4.3.1 結(jié)構(gòu)受力結(jié)果

為了仿真出起吊受力情況，在吊繩擠壓和2 g（含貨物）作用下，對(duì)包裝箱主體及泡沫加強(qiáng)筋進(jìn)行分析，包裝箱最大主應(yīng)力為18.50 MPa，詳見(jiàn)圖4a，其整體最大位移7.34 mm，位于箱體頂部中間位置，位移位置見(jiàn)圖4b；泡沫加強(qiáng)筋等效應(yīng)力為0.398 MPa，詳見(jiàn)圖4c，其最大位移為6.284 mm，位于頂部中心，位移位置見(jiàn)圖4d。

1.4.3.2 屈曲分析結(jié)果

在吊繩擠壓和2 g（含貨物）作用下，載荷與約束按照?qǐng)D3執(zhí)行。對(duì)包裝箱進(jìn)行屈曲分析，第1階屈曲系數(shù)為1.17，詳見(jiàn)圖5a；第2階屈曲系數(shù)為1.18，詳見(jiàn)圖5b；第3階屈曲系數(shù)為1.19，詳見(jiàn)圖5c。

圖4 在吊繩擠壓和2倍重力作用下受力結(jié)果

圖5 在吊繩擠壓和2倍重力作用下屈曲結(jié)果

1.4.3.3 結(jié)果分析

從結(jié)構(gòu)受力結(jié)果分析可以看出，包裝箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，方案可行，箱體玻璃鋼主體最大主應(yīng)力為18.50 MPa，泡沫等效最大應(yīng)力為0.398 MPa，整體位移為7.34 mm，生產(chǎn)制作時(shí)頂部面板受力集中區(qū)域附近需要加強(qiáng)。從屈曲分析結(jié)果可以看出一階、二階、三階屈曲系數(shù)分別為1.17、1.18、1.19，包裝箱整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。

2 箱體模具與產(chǎn)品制作

2.1 模具制作

眾所周知，產(chǎn)品的表觀質(zhì)量很大因素取決于模具質(zhì)量，模具的材質(zhì)選擇一般有木材、金屬、玻璃鋼等。金屬模具精度高但笨重且成本偏高，木質(zhì)模具成本低廉但重復(fù)利用性差、精度低，不適合批量化產(chǎn)品生產(chǎn)，因此本產(chǎn)品采用精度高、成本適中的玻璃鋼模具完成產(chǎn)品制作。模具制作流程見(jiàn)圖6。本文采用無(wú)堿纖維布與漢森環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)真空灌注工藝完成高質(zhì)量的玻璃鋼模具[21]制作。依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，本包裝箱需完成2 000 mm×2 500 mm、1 000 mm×2 500 mm、2 500 mm× 2 800 mm、1 000 mm×2 800 mm 4種規(guī)格模具制作。

2.2 產(chǎn)品成型

玻璃鋼行業(yè)發(fā)展到今天，手糊工藝水染占較大的比例，但其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差，不適用于本產(chǎn)品生產(chǎn)。復(fù)合材料液體模塑成型工藝（Liquid Composite Molding，LCM）指將液態(tài)聚合物注入鋪有纖維預(yù)成型體的閉合模腔中，或?qū)㈩A(yù)先放入模腔中的樹(shù)脂膜加熱熔化，使液態(tài)聚合物在流動(dòng)充模的同時(shí)完成對(duì)纖維的浸潤(rùn)并固化成型為制品的復(fù)合材料制備技術(shù)。復(fù)合材料的纖維含量高達(dá)60%～70%，樹(shù)脂分配系統(tǒng)使樹(shù)脂膠液迅速在長(zhǎng)度方向充分流動(dòng)填充，并在真空壓力下沿厚度方向緩慢浸潤(rùn)，能夠改善浸潤(rùn)效果，減少缺陷的形成，降低孔隙率；還能夠改善操作環(huán)境，降低揮發(fā)性有機(jī)物的排放；可制造大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、集成度高的部件、產(chǎn)品，因此本產(chǎn)品采用LCM工藝成型。

在模具驗(yàn)收合格后，進(jìn)行各單元件產(chǎn)品制作。首先，完成纖維鋪覆和材料工器具準(zhǔn)備等工作，再按照流程圖7完成各單元產(chǎn)品灌注成型制作。本產(chǎn)品單元面積較大，制作過(guò)程需要同時(shí)布置多個(gè)膠道，膠道布置時(shí)，每個(gè)膠道間隔400 ～500 mm。在樹(shù)脂導(dǎo)入過(guò)程中，首先打開(kāi)中間膠液管道閥門(mén)，使樹(shù)脂膠液均勻向兩側(cè)流動(dòng)，待膠液流過(guò)下一膠液管道30～50 mm距離后，打開(kāi)其管道閥門(mén)，待樹(shù)脂膠液充分浸透周邊玻纖布后，當(dāng)吸氣管吸入膠液時(shí)關(guān)閉注膠閥門(mén)，之后室溫固化。相比采用真空灌注成型的傳統(tǒng)風(fēng)電葉片產(chǎn)品[22]，本產(chǎn)品灌注工藝更復(fù)雜，周邊區(qū)域及孔隙周邊在灌注時(shí)產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的樹(shù)脂流道，容易產(chǎn)生干斑、白紗等未被樹(shù)脂完全填充的質(zhì)量缺陷[23-24]，威脅產(chǎn)品服役安全。因此在工藝實(shí)施過(guò)程中需要嚴(yán)格控制注膠時(shí)間及膠道開(kāi)放順序等工藝參數(shù)，同時(shí)參照理論分析結(jié)果在應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行玻璃鋼加厚，比如箱體吊裝時(shí)頂部受力集中，制作時(shí)將箱體頂部泡沫加強(qiáng)筋的玻璃鋼層加厚5 mm，最終完成各個(gè)單元件產(chǎn)品制作。

圖6 模具制作流程

圖7 產(chǎn)品制作流程

3 產(chǎn)品表征與分析

3.1 箱體質(zhì)量

本復(fù)合材料包裝箱4種規(guī)格的16塊箱體單元件共計(jì)476 kg，詳細(xì)信息見(jiàn)表2。同尺寸的金屬材質(zhì)包裝箱質(zhì)量為2 600 kg。

3.2 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果與分析

包裝箱單元件制作完畢后，隨爐取樣，按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求加工測(cè)試試樣，并按照對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度及模量、側(cè)壓強(qiáng)度及模量、泡沫加強(qiáng)筋剪切強(qiáng)度及平拉強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試詳細(xì)數(shù)值及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表3。

表2 包裝箱單元件數(shù)量及質(zhì)量

Tab.2 Unit quantity and weight of packing box

注：側(cè)板A的規(guī)格為2 000 mm×2 500 mm，側(cè)板B的規(guī)格為1 000 mm×2 500 mm。

表3 包裝箱面板力學(xué)性能參數(shù)

Tab.3 Mechanical property parameters of packing box panel

3.3 產(chǎn)品分析

本設(shè)計(jì)包裝箱實(shí)際總質(zhì)量為476 kg，同尺寸的金屬材質(zhì)包裝箱質(zhì)量為2 600 kg，本復(fù)合材料包裝箱質(zhì)量減少了70%以上，且單元箱體質(zhì)量最大不超過(guò)50 kg，方便操作者手工裝卸，滿(mǎn)足了用戶(hù)使用要求。

對(duì)本包裝箱承載情況而言，其彎曲強(qiáng)度實(shí)際測(cè)試值為34.30 MPa，高于理論值18.50 MPa，泡沫加強(qiáng)筋平拉強(qiáng)度為0.458 MPa，亦高于理論值0.398 MPa，其分析對(duì)比情況見(jiàn)表4，滿(mǎn)足一般設(shè)計(jì)要求。

表4 包裝箱面板力學(xué)性對(duì)比

Tab.4 Mechanical property contrast table of packing box panel

注：安全系數(shù)為實(shí)際測(cè)試值與理論分析值的比值。

4 結(jié)語(yǔ)

1）力學(xué)性能測(cè)試表明包裝箱的彎曲強(qiáng)度為34.30 MPa，較理論值高85.41%；泡沫加強(qiáng)筋平拉強(qiáng)度為0.458 MPa，較理論值高15.08%。因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包裝箱力學(xué)性能優(yōu)異，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2）復(fù)合材料包裝箱質(zhì)量為476 kg，較同等體積的金屬包裝箱質(zhì)量減少了70%以上，側(cè)面及頂面實(shí)現(xiàn)了單元件模塊裝配，可根據(jù)需要加長(zhǎng)箱體長(zhǎng)度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及應(yīng)用要求。

3）本包裝箱的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、防霉、使用壽命長(zhǎng)、安裝快捷等優(yōu)點(diǎn)突出，實(shí)現(xiàn)了其在交通運(yùn)輸方面的服務(wù)性新應(yīng)用，同時(shí)也擴(kuò)大了復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，能夠?yàn)槠渌嚓P(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供借鑒參考。

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Modular Design and Molding Technology of Composite Packaging Box

HU Xiudong*, ZHU Shuxi, LIU Lili, PENG Zhe, LEI Chengyue

(Beijing Composite Materials Co., Ltd., Beijing 102101, China)

The work aims to study a light, high-strength, corrosion-resistant, anti-mildew, and easy-to-install composite packaging box manufacturing technology to achieve the application of composite packaging boxes in the field of transportation. In this paper, packaging design and simulation analysis, product characterization and other processes were carried. The packaging boxes were designed into 4 kinds of 16 unit panels. Through material screening, die design and component molding technology research, the panel was made, and the weight and mechanical properties of the components were tested. As a result, the total weight of the packing box was more than 70% less than that of the metal box of the same specification. The mechanical test results showed that the actual bending strength was 85.41% higher than the theoretical calculation, and the horizontal tensile strength of foam stiffeners was 15.08% higher than the theoretical value. The results show that the modular composite packing box meets the design requirements.

modularization; composite material; vacuum filling process; packing box

TB482.2；TB332

A

1001-3563(2024)09-0287-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.09.036

2023-12-07

國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目（WDIC20245250502）