Material model development for corrugated cardboard
Sullström, Aleksi (2026)
Diplomityö
2026
School of Energy Systems, Konetekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260803114803
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260803114803
Tiivistelmä
Virtual durability testing of products is commonly used by companies. There is a growing interest in studying the product’s durability throughout the logistics chain, which requires a reliable material model of the packaging material as well. In this thesis, an anisotropic elastic plastic material model for C-flute corrugated cardboard is developed.
The work is carried out using finite element method software LS-Dyna, where the numerical behavior of the developed material model is systematically correlated with results obtained from physical experiments of the packaging material. The thesis studies the viability of two modelling methods: (a) a composite laminate model consisting of the liners and a homogenized fluting equivalent, and (b) a single shell layer.
The results indicate that a composite laminate material model with a homogenized fluting equivalent material can represent the complicated mechanical behavior of corrugated cardboard in a computationally efficient and reliable manner. Simplifying the flute geometry limits the simulation of local buckling in the fluting and liner layers but represents the board’s macro behavior accurately. Meanwhile, a single shell layer model can either represent the membrane behavior or the bending behavior, but not both simultaneously.
This thesis bridges the gap between corrugated board material models with physical experimentation to ensure correlation with the real behavior of the material. Yritykset ovat panostaneet tuotteiden virtuaaliseen rasituksen testaukseen. Logistiikkaketjun aikana tapahtuvan tuotteen rasituksen tutkiminen kiinnostaa yhä enemmän, mikä vaatii myös pakkausmateriaalin materiaalimallin. Tässä opinnäytetyössä mallinnetaan C-aaltoisen aaltopahvin anisotrooppinen elastis-plastinen materiaalimalli.
Työ toteutetaan käyttämällä elementtimenetelmään perustuvaa ohjelmistoa (LS-Dyna), jossa kehitettävän materiaalimallin numeerinen käyttäytyminen korreloidaan systemaattisesti pakkausmateriaalin fyysisistä kokeista saatujen tulosten kanssa. Diplomityössä tutkitaan komposiittilaminaattimallin kelpoisuutta, joka koostuu kuoripahvista ja homogenoidusta aallotuskartonkiin vastaavasta materiaalista. Työssä kehitetään myös yksittäisestä kuorimateriaalista kehitetty malli mahdollisina mallinnusmenetelminä.
Tulokset osoittavat, että komposiittikerrosmateriaalimalli, jossa on homogenoitu aallotuskartonki vastaavasta materiaalista, voi kuvata aaltopahvin monimutkaista mekaanista käyttäytymistä laskennallisesti kevyellä ja luotettavalla tavalla. Aaltokartongin geometrian yksinkertaistaminen menettää kyvyn simuloida aaltokartongin tai pintakartongin paikallista luhistumista, mutta esittää levyn makrokäyttäytymisen tarkasti. Samaan aikaan yksittäiset kuorimateriaalimallit pystyvät edustamaan vain aaltopahvin taivutusjäykkyyttä tai rakenteen kalvomaisia ominaisuuksia, mutta eivät molempia samoilla malliarvoilla.
Tämä diplomityö yhdistää aaltopahvimateriaalimallit tarkkoihin fyysisiin kokeisiin varmistaakseen yhteensopivuuden materiaalin todellisen käyttäytymisen kanssa.
The work is carried out using finite element method software LS-Dyna, where the numerical behavior of the developed material model is systematically correlated with results obtained from physical experiments of the packaging material. The thesis studies the viability of two modelling methods: (a) a composite laminate model consisting of the liners and a homogenized fluting equivalent, and (b) a single shell layer.
The results indicate that a composite laminate material model with a homogenized fluting equivalent material can represent the complicated mechanical behavior of corrugated cardboard in a computationally efficient and reliable manner. Simplifying the flute geometry limits the simulation of local buckling in the fluting and liner layers but represents the board’s macro behavior accurately. Meanwhile, a single shell layer model can either represent the membrane behavior or the bending behavior, but not both simultaneously.
This thesis bridges the gap between corrugated board material models with physical experimentation to ensure correlation with the real behavior of the material.
Työ toteutetaan käyttämällä elementtimenetelmään perustuvaa ohjelmistoa (LS-Dyna), jossa kehitettävän materiaalimallin numeerinen käyttäytyminen korreloidaan systemaattisesti pakkausmateriaalin fyysisistä kokeista saatujen tulosten kanssa. Diplomityössä tutkitaan komposiittilaminaattimallin kelpoisuutta, joka koostuu kuoripahvista ja homogenoidusta aallotuskartonkiin vastaavasta materiaalista. Työssä kehitetään myös yksittäisestä kuorimateriaalista kehitetty malli mahdollisina mallinnusmenetelminä.
Tulokset osoittavat, että komposiittikerrosmateriaalimalli, jossa on homogenoitu aallotuskartonki vastaavasta materiaalista, voi kuvata aaltopahvin monimutkaista mekaanista käyttäytymistä laskennallisesti kevyellä ja luotettavalla tavalla. Aaltokartongin geometrian yksinkertaistaminen menettää kyvyn simuloida aaltokartongin tai pintakartongin paikallista luhistumista, mutta esittää levyn makrokäyttäytymisen tarkasti. Samaan aikaan yksittäiset kuorimateriaalimallit pystyvät edustamaan vain aaltopahvin taivutusjäykkyyttä tai rakenteen kalvomaisia ominaisuuksia, mutta eivät molempia samoilla malliarvoilla.
Tämä diplomityö yhdistää aaltopahvimateriaalimallit tarkkoihin fyysisiin kokeisiin varmistaakseen yhteensopivuuden materiaalin todellisen käyttäytymisen kanssa.