有限元素分析應用於瓦楞紙板強度之預測

紙張主要由木材纖維所組成，為一天然可再生資源，故亦為綠色材料。雖其力學性質不及木材，惟其優點為使用後可回收數次再利用，故除可節省寶貴的資源外，對公害影響亦為最輕微者。依據台灣區造紙工業同業公會統計資料（台灣區造紙工業同業公會，2006）顯示，2005年台灣區紙張總生產量約466萬噸，其中紙板生產量約337萬8千噸，占總產量72.5%；紙板中，紙箱用紙生產量約249萬8千噸，占總產量53.6%，為紙板產量73.9%。由此可見紙箱用紙在造紙工業之重要性。自早期至今，造紙及包裝之相關產業多利用破裂強度、環壓強度及耐壓強度試驗等測值作為評估瓦楞紙板及估計瓦楞紙箱的強度。其中紙箱耐壓強度計算公式，如kellicutt、Maltenfort、Mackee及Wolf等為業界所熟知者。近年來則有許多學者紛紛開始利用有限元素分析（Finite element analysis；FEA）探討瓦楞紙板的力學行為。有限元素分析是以模擬瓦楞紙板力學行為的有限元素模型為基礎，進行瓦楞紙板於各種載重條件下之強度預測。其優點如1.減少研發成本，在產品研發的設計階段，可免去不必要的試驗；2.縮短研發時間，在設計初期即可獲得更充分的瓦楞紙板力學性質資料；3.如須使用新材質，可評估其通過整套測試項目的可行性；及4.可作為瓦楞紙板局部現象（局部應力及變形）之研究。（Aboura etal., 2004）欲建立能預測瓦楞紙板行為的有限元素模型並對其加以驗證，首先需完成原材料－－裱面紙板與瓦楞芯紙及瓦楞紙板之試驗；包含拉伸、剪力、抗彎及側向抗壓強度試驗（Edgecompression test；ECT）等。其目的在於獲得非均向材料－－紙張之彈性係數及強度等四項參數，以建立層板內之平面應力模式。此四項參數為縱向或MD彈性係數（EL或Ex）、橫向或CD彈性係數（ET或Ey）、波松比（νLT）及剪彈性係數（GLT或Gxy）等（Aboura et al., 2004、Biancolini and Brutti, 2003）。其次為發展出完整的有限元素模型以建構局部的瓦楞紙板模型。經模型網格（Mesh）尺寸之最適化後，最後再進行模型的驗證工作，即將分析結果的數值與實驗值進行比對。本文擬就瓦楞紙板之性質及應用有限元素分析預測瓦楞紙板強度進行整哩，期提供相關研究之參考。