王　宏，李　松，董新東

（空軍空降兵學(xué)院，廣西　桂林　541003）

基于ANSYSLS-DYNA的固體食品包裝袋空投著陸過(guò)程仿真

王宏，李松，董新東

（空軍空降兵學(xué)院，廣西桂林541003）

基于ANSYS/LS-DYNA軟件平臺(tái)，采用雙層高強(qiáng)度聚丙烯材料的包裝方案，以盛裝20 kg大米的包裝袋為例，采用數(shù)值模擬的方法，研究包裝袋從200m高空著陸沖擊過(guò)程中包裝袋主要力學(xué)參數(shù)的微觀變化過(guò)程，主要包括形狀變化及應(yīng)力的變化過(guò)程，找出了可能對(duì)包裝袋造成破壞的原因和最容易破壞的部位，并驗(yàn)證了雙層高強(qiáng)度聚丙烯材料包裝方案的可行性。為實(shí)現(xiàn)固體食品的高空無(wú)傘空投提供了參考。

固體食品，包裝袋，著陸沖擊，系統(tǒng)仿真

0　引言

著陸過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬［4］，重點(diǎn)研究了著陸沖擊時(shí)包裝袋的體積、形狀變化、沖擊力的產(chǎn)生、應(yīng)力變化、對(duì)包裝袋的破壞方式等，以驗(yàn)證固體食品高空無(wú)傘空投包裝方案的可行性。

1　實(shí)例及模擬條件

物資空投著陸是一個(gè)多條件約束、多目標(biāo)輸出的過(guò)程，加之空投高度的限制，試驗(yàn)的難度非常大，目前還不具備在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)的條件。因而，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)整個(gè)空投著陸過(guò)程進(jìn)行仿真和分析，預(yù)測(cè)一些關(guān)鍵緩沖性能參數(shù)的大致范圍，不

隨著硬件日新月異的發(fā)展和數(shù)值模擬理論與軟件平臺(tái)的日趨完善，數(shù)值模擬已成為一種在諸多領(lǐng)域不可或缺的研究分析手段［1］。近年來(lái)，空降空投方式因其方便快捷的特點(diǎn)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用［2］。本文以固體食品包裝袋在200m高空的跌落沖擊過(guò)程為研究對(duì)象，采用雙層高強(qiáng)度聚丙烯材料作為食品的包裝材料［3］，基于ANSYS/LSDYNA數(shù)值模擬與分析系統(tǒng)，對(duì)包裝袋的高空跌落沖擊過(guò)程進(jìn)行仿真分析。對(duì)其著陸時(shí)受到的沖擊及僅可降低成本，縮短研制周期，而且對(duì)確定緩沖包裝材料的材料選擇和包裝方式設(shè)計(jì)非常有幫助［6］。

1.1模擬對(duì)象

本文以大米作為固體食品的代表，選定20 kg大米作為空投物資，考慮到空投物資的特性和抗著陸沖擊的實(shí)際需求，采用雙層高強(qiáng)度軟質(zhì)材料進(jìn)行緩沖包裝。根據(jù)20 kg大米的體積，確定的包裝袋模擬尺寸為80 cm×45 cm。對(duì)其在裝米的情況下，距離地面200m高度進(jìn)行無(wú)傘空投的著陸沖擊過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬計(jì)算，找出大米包裝袋沖擊過(guò)程中的變形模態(tài)，計(jì)算得到材料應(yīng)力［7］、變形量等一系列參數(shù)的變化規(guī)律。

針對(duì)確定的采用高強(qiáng)度軟質(zhì)材料的包裝方案，內(nèi)、外層包裝袋材料均選用聚丙烯纖維編織材料。數(shù)值模擬分析過(guò)程中，內(nèi)、外層編織袋均采用纖維材料模型，其參數(shù)見(jiàn)表1；空氣采用流體模型，狀態(tài)方程采用GRUNEISEN方程；大米采用流體模型；地面材料采用混凝土動(dòng)態(tài)彈塑性材料模型。

表1　聚丙烯纖維參數(shù)

1.2邊界條件及求解控制條件

在計(jì)算前對(duì)模型施加的邊界條件和求解控制條件如下：

（1）邊界約束條件：地面為剛性，所有自由度均被約束；

（2）根據(jù)實(shí)際跌落過(guò)程的速度范圍，碰撞速度確定為50m/s；

（3）根據(jù)模擬整個(gè)著陸過(guò)程所需時(shí)間，碰撞模擬時(shí)間確定為1 800μs；

（4）計(jì)算單位采用牛頓（N）、厘米（cm）、微秒（μs）、克（g）；

（5）計(jì)算方法：ALE。

1.3結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)包裝袋裝米后的結(jié)構(gòu)形狀，確定了圖1所示的固體食品包裝袋空投著陸沖擊計(jì)算模型。其中，包裝袋采用了圖2所示的雙層包裝結(jié)構(gòu)。

圖1　包裝袋著陸沖擊模型圖

圖2　包裝袋的雙層包裝結(jié)構(gòu)

2　結(jié)果及分析

2.1包裝袋著陸沖擊過(guò)程中的變形

圖3～圖5為模擬包裝袋著陸沖擊過(guò)程中的變形情況。

圖3　著陸瞬間狀態(tài)

圖3為包裝袋著陸瞬間的狀態(tài)。著陸瞬間袋內(nèi)大米向四周流動(dòng)，擠壓包裝袋，使包裝袋下部發(fā)生膨脹。隨著膨脹的持續(xù)，導(dǎo)致包裝袋上部產(chǎn)生真空，使包裝袋上部向下凹陷，在0.5ms時(shí)出現(xiàn)圖4所示的狀態(tài)。

圖4　0.50ms時(shí)的狀態(tài)

此后，包裝袋逐漸形成腰部較細(xì)的形狀。在1.40ms時(shí)包裝袋的上角也產(chǎn)生較大的塑性變形，如圖5所示。但整個(gè)袋體各部位都在彈性范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

圖5　1.40ms時(shí)的狀態(tài)

2.2包裝袋單元應(yīng)力狀態(tài)變化

在對(duì)包裝袋著陸沖擊過(guò)程的數(shù)值模擬中，除精確再現(xiàn)了包裝袋在各時(shí)段的變形情況，還重點(diǎn)模擬了包裝袋各單元的應(yīng)力變化過(guò)程。以下為包裝袋各單元的應(yīng)力分析情況。

2.2.1外層包裝袋的應(yīng)力變化

（1）外層包裝袋頂部中間與邊緣單元

選取外層包裝袋頂部中間與邊緣的單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。圖6為各單元的應(yīng)力曲線。

圖6　外層包裝袋頂部中間與邊緣的單元應(yīng)力曲線（A為中間，B為邊緣）

圖6中，外層包裝袋頂部單元的主應(yīng)力總體上呈拉伸狀態(tài)，外側(cè)單元和中間單元的應(yīng)力變化不同步，外側(cè)單元的應(yīng)力有兩個(gè)波峰，其峰值大于中間單元的應(yīng)力峰值。

（2）外層包裝袋底部中間與邊緣單元

選取外層包裝袋底部中間與邊緣的單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。圖7為各單元的應(yīng)力曲線。

圖7　外層包裝袋底部中間與邊緣的單元應(yīng)力曲線（A為中間，B為邊緣）

圖7中，外層包裝袋底部中間單元的主應(yīng)力總體上呈拉伸狀態(tài)，外側(cè)單元主應(yīng)力成拉壓振蕩狀態(tài)。就應(yīng)力峰值來(lái)看，中間單元要遠(yuǎn)大于邊緣單元。

（3）外層包裝袋側(cè)壁單元

選取外層包裝袋側(cè)壁的單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。圖8為各單元的應(yīng)力曲線。

圖8　外層包裝袋側(cè)壁的單元主應(yīng)力曲線（A為下部，B為中間，C為上部）

圖8中可以看出，外層包裝袋側(cè)壁單元的主應(yīng)力總體上呈拉伸狀態(tài)，下部單元峰值應(yīng)力最大，中間（腰部）單元呈振蕩上升狀態(tài)，上部單元應(yīng)力峰值較小?？梢?jiàn)，著陸時(shí)側(cè)壁下部是承受沖擊力的主要部位，也是最容易破壞的部位。

2.2.2內(nèi)層包裝袋的應(yīng)力變化

選取與外層包裝袋相同位置的節(jié)點(diǎn)單元對(duì)內(nèi)包裝袋的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，圖9至圖11分別為內(nèi)層包裝袋頂部中間與邊緣、底部中間與邊緣及側(cè)壁單元的應(yīng)力曲線。

（1）內(nèi)層包裝袋頂部中間與邊緣單元

圖9　內(nèi)層包裝袋頂部中間與邊緣的單元應(yīng)力曲線（A為中間，B為邊緣）

圖9中，內(nèi)層包裝袋頂部中間單元的主應(yīng)力總體上呈拉伸狀態(tài)，邊緣單元主應(yīng)力呈不斷上升狀態(tài)，與外層包裝袋相同，邊緣單元的應(yīng)力峰值大于中間單元。

（2）內(nèi)層包裝袋底部中間與邊緣單元

下頁(yè)圖10中可以看出，內(nèi)層包裝袋底部中間單元的主應(yīng)力總體上呈拉伸狀態(tài)。邊緣單元主應(yīng)力呈不斷上升狀態(tài)，且其拉伸應(yīng)力大部分時(shí)間穩(wěn)定在0.8E9Pa左右，遠(yuǎn)大于中間節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。

（3）內(nèi)層包裝袋側(cè)壁單元

圖11中，內(nèi)層包裝袋側(cè)壁單元的主應(yīng)力總體上呈拉伸狀態(tài)，下部單元峰值應(yīng)力最大，中間（腰部）單元呈振蕩上升狀態(tài)，上部單元應(yīng)力呈不斷上升狀態(tài)。與外層包裝袋相同，內(nèi)層包裝袋側(cè)壁下部也是承受沖擊力的主要部位之一。

圖10　內(nèi)層包裝袋底部中間與邊緣的單元應(yīng)力曲線（A為中間，B為邊緣）

圖11　內(nèi)層包裝袋側(cè)壁的單元主應(yīng)力曲線（A為上部，B為中間，C為下部）

3　結(jié)論

從數(shù)值模擬過(guò)程中包裝袋的變形來(lái)看，著陸時(shí)對(duì)包裝袋的影響主要集中在包裝袋的下側(cè)部。從應(yīng)力分析的結(jié)果來(lái)看，最大拉伸應(yīng)力同樣也出現(xiàn)在包裝袋的下側(cè)部。外層包裝袋著陸時(shí)承受的最大拉伸應(yīng)力出現(xiàn)在包裝袋側(cè)面的下部，峰值為0.65E9Pa。內(nèi)層包裝袋著陸時(shí)承受的最大拉伸應(yīng)力出現(xiàn)在底部邊緣，峰值為0.81E9Pa。通過(guò)對(duì)包裝袋著陸過(guò)程的模擬分析，找出了影響包裝袋的主要方式和最有可能破壞的部位。在模擬仿真的基礎(chǔ)上，又在河南安陽(yáng)進(jìn)行了近30個(gè)空投件的機(jī)載空投試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，包裝袋均沒(méi)有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，而且包裝袋的變形部位也與仿真結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用雙層高強(qiáng)度聚丙烯材料的包裝方案實(shí)施固體食品高空無(wú)傘空投的可行性。

［1］李良春，黃剛，李文生，等.基于ANSYS/LS-DYNA的新型著陸緩沖氣囊仿真分析［J］.包裝工程，2012，33（15）：16-20.

［2］溫金鵬，李斌，楊智春.緩沖氣囊沖擊減緩研究進(jìn)展［J］.宇航學(xué)報(bào)，2010，31（11）：2438-2447.

［3］王岳.材料在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究［J］.包裝工程，2015，36（8）：68-71.

［4］張改梅，仵季紅，郭福賓.基于ANSYS/LS-DYNA的易拉罐跌落研究［J］.包裝工程，2011，32（5）：4-6.

［5］張恒銘，程德峰，惠篤義.重裝空投中影響貨物最大翻轉(zhuǎn)角的因素分析［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014，34（3）：37-40.

［6］王俊麗，陳喜春.緩沖包裝的跌落仿真［J］.包裝工程，2007，28（9）：8-10.

［7］齊明思，劉守君，趙奇，等.緩沖氣囊著陸過(guò)程仿真研究［J］.包裝工程，2013，34（23）：5-7.

Study on Simulation of the Airdrop Landing Processof Solid Food Packaging Bag Based on ANSYSLS-DYNA

WANGHong，LISong，DONGXin-dong
（Air Force Airborne Academy，Guilin 541003，China）

Based on ANSYS/LS-DYNA software platform，the packaging project of double-layer high-strength polypropylene material is used.A packaging bag filled with 20 kg rice is taken as an example.Using numerical simulationmethod，micro changing process ofmajormechanics parameters is studied when the packaging bag dropping from 200 m high-altitude and landing impacting.The changing processmainly includes the change of shape and stress.Possible reasons thatmay damage the bag and the most easily destroyable place are found.Feasibility of the double-layer high-strength polypropylene project is testified，which gives a reference to the realization of airdrop of solid food from high altitude.

solid food，packaging bag，landing impact，simulation

TP302.7

A

1002-0640（2016）08-0177-04

2015-06-03

2015-07-21

王宏（1967-），男，山西臨猗人，博士，教授。研究方向：空降空投技術(shù)。