王吉祥，王家勝

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109； 2.青島啤酒股份有限公司，山東 青島 266109)

0 引言

隨著消費(fèi)者口味的個(gè)性多元化，啤酒瓶裝規(guī)格也向多樣化發(fā)展，小瓶型啤酒受到消費(fèi)者的青睞，在市場(chǎng)占有比例逐漸增加。玻璃啤酒瓶是易碎品，掌握酒瓶跌落力學(xué)狀態(tài)是指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)送和運(yùn)輸過(guò)程中包裝防跌碎的重要依據(jù)?，F(xiàn)階段，已有諸多學(xué)者對(duì)包裝件運(yùn)輸搬運(yùn)過(guò)程中的跌落沖擊情況進(jìn)行了研究[1-7]。王春霖等[8]對(duì)空瓶和貯酒兩種狀態(tài)跌落試驗(yàn)得到時(shí)間應(yīng)力曲線圖。門(mén)超等[9]基于ANSYS Workbench對(duì)紅酒包裝進(jìn)行跌落仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉艾等[10]基于ANSYS對(duì)白酒包裝件跌落進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上研究主要對(duì)常規(guī)大酒瓶為分析對(duì)象，258 mL啤酒瓶與常規(guī)大容量的溜肩瓶、端肩瓶的瓶體外形輪廓并不相同，目前對(duì)小瓶型啤酒瓶的研究并不多，缺乏對(duì)小瓶型跌落沖擊應(yīng)力分析方面的研究。本文以青島啤酒258 mL容量的小型玻璃酒瓶為研究對(duì)象，對(duì)瓶體以不同姿態(tài)、有無(wú)緩沖包裝發(fā)生跌落沖擊展開(kāi)研究，通過(guò)ANSYS有限元分析軟件得到瓶體跌落觸底瞬間的應(yīng)力分布云圖及應(yīng)力最大值位置，得到瓶體跌落沖擊應(yīng)力分布規(guī)律，為該類型酒瓶的運(yùn)送包裝防護(hù)及生產(chǎn)線輸運(yùn)保護(hù)提供技術(shù)支持。

1 模型的建立及前處理

1.1 258 mL啤酒瓶及緩沖包裝三維模型建立

研究對(duì)象為258 mL小容量玻璃啤酒瓶，瓶高220 mm，最大瓶身直徑59 mm，其結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1所示。

圖1 258 mL啤酒瓶二維正視圖Fig.1 Two dimensional front view of 258 mL beer bottle

三維模型包括1個(gè)啤酒瓶、1個(gè)瓶蓋、1個(gè)BC型雙瓦楞紙箱，以及1塊50 mm厚度的混凝土地面。用ANSYS Workbench軟件，在Design modeler繪圖窗格中繪制酒瓶及緩沖包裝三維模型，如圖2所示。

圖2 258 mL啤酒瓶及緩沖包裝三維模型Fig.2 3D model of 258mL beer bottle and cushioning packaging

1.2 材料設(shè)置

為了接近瓶體跌落沖擊的真實(shí)效果，需要對(duì)酒瓶、瓶蓋等包裝件設(shè)置準(zhǔn)確的材料力學(xué)特性參數(shù)，主要包括模型的材料密度、彈性模量和泊松比。其中酒無(wú)彈性模量，主要取其質(zhì)量參數(shù)。模型材料涉及玻璃、瓶蓋、混凝土和瓦楞紙箱，依次定義添加材料的密度、彈性模量及泊松比等參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示，其中，BC型雙瓦楞紙箱為多層結(jié)構(gòu)。

表1 各材料的物理參數(shù)

1.3 接觸設(shè)置

瓶蓋和瓶體是緊密配合的，所以酒瓶與瓶蓋接觸設(shè)置為Boned(綁定)。為了便于取放啤酒瓶，在建立模型時(shí)，瓶身最大直徑與瓦楞紙箱存在一定間隙；瓶底和紙箱有接觸，ANSYS軟件會(huì)自動(dòng)偵測(cè)、識(shí)別瓶底與紙箱的接觸部位。在豎直方向跌落時(shí)，兩者可分離，兩者接觸設(shè)置為frictionless(無(wú)摩擦)。瓦楞紙箱與地面也設(shè)置為frictionless。

1.4 模型網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分對(duì)分析結(jié)果精度有重要影響。通過(guò)Details of Mesh面板來(lái)修改網(wǎng)格參數(shù)的大小，綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算效率，對(duì)啤酒瓶和緩沖包裝進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，如圖3所示，共劃分為24 406個(gè)節(jié)點(diǎn)、13 612個(gè)網(wǎng)格。

圖3 258 mL啤酒瓶及箱體的網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of 258mL beer bottle and box

2 無(wú)緩沖包裝跌落仿真分析

為了比較258 mL啤酒瓶有無(wú)緩沖包裝的跌落沖擊情況，先對(duì)瓶體不加緩沖包裝進(jìn)行跌落仿真分析，得到最大沖擊加速度和最大應(yīng)力值。啤酒瓶從距離地面1 m的位置，分別在豎直方向、水平方向、傾斜15°方向，以不同姿態(tài)多角度進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)啤酒瓶從1 m高度下落至到地面時(shí)，由自由落體公式得出其末速度為4.47 m/s，該速度作為試驗(yàn)的沖擊初速度。劃分網(wǎng)格后，從高往低運(yùn)動(dòng)發(fā)生跌落，在ANSYS軟件中的Transient選項(xiàng)設(shè)置X軸和Z軸速度都為0，在Y軸方向給酒瓶一個(gè)4.47 m/s的初速度，分析時(shí)間0.001 s，得到啤酒瓶以不同姿態(tài)落地沖擊瞬間應(yīng)力分布如圖4所示，最大應(yīng)力及位置如表2所示。

圖4 酒瓶在不同方向跌落的應(yīng)力Fig.4 Stress of wine bottle falling in different directions

表2 酒瓶在各種工況跌落下的最大應(yīng)力分布

酒瓶在豎直方向的跌落，最大沖擊應(yīng)力出現(xiàn)在瓶底邊緣圓周上，最大應(yīng)力值147 MPa；傾斜15°跌落最大沖擊應(yīng)力出現(xiàn)在觸地點(diǎn)位置，最大應(yīng)力值517 MPa；水平方向跌落最大沖擊應(yīng)力出現(xiàn)在瓶肩凸起部位與地面接觸點(diǎn)，最大應(yīng)力值277 MPa。當(dāng)啤酒瓶在距離地面1 m的位置以不同姿態(tài)做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，酒瓶因強(qiáng)度不夠而破碎。

3 有緩沖包裝跌落仿真分析

從上述跌落仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，酒瓶不加緩沖包裝時(shí)很容易發(fā)生跌落破碎。為了保證酒瓶運(yùn)輸安全，避免瓶體破碎引起的劃傷、割傷等情況，需要合理選材和設(shè)計(jì)緩沖包裝結(jié)構(gòu)。瓦楞紙箱因其質(zhì)量小、強(qiáng)度高、易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，在啤酒包裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用6 mm厚的BC型5層瓦楞紙箱作為緩沖包裝材料，對(duì)酒瓶不同跌落高度進(jìn)行仿真分析。

啤酒瓶屬于易碎品，紙箱外包裝會(huì)明確給出箱體放置方向。成年人在搬運(yùn)過(guò)程，紙箱距離地面1 m左右，為了分析不同高度的跌落沖擊情況，將酒瓶和瓦楞紙箱在豎直方向以1.0、0.5 m的跌落高度做自由落體，得到不同跌落高度下的應(yīng)力情況，應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 有緩沖酒瓶跌落應(yīng)力Fig.5 Drop stress of wine bottle with buffer

由圖5可知，加緩沖包裝后，酒瓶豎直方向跌落時(shí)，沖擊瞬間最大應(yīng)力比無(wú)緩沖包裝時(shí)大大降低。當(dāng)?shù)涓叨葹? m時(shí)，最大沖擊應(yīng)力為5 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在瓶底邊緣圓周上；258 mL啤酒瓶與常規(guī)的500、600 mL溜肩瓶結(jié)構(gòu)不同，在瓶肩位置有圓弧凸起過(guò)渡，這種圓弧凸起過(guò)渡設(shè)計(jì)符合人體手握小容量酒瓶的力學(xué)特性。當(dāng)?shù)涓叨葹?.5 m時(shí)，最大沖擊應(yīng)力為3.4 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在瓶肩圓弧凸起部位。瓦楞紙箱吸收了跌落過(guò)程中的大部分沖擊能量，起到較好的緩沖作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

建立258 mL小容量啤酒瓶及緩沖包裝三維有限元仿真模型，對(duì)其進(jìn)行材料力學(xué)參數(shù)定義賦值和網(wǎng)格劃分，基于ANSYS軟件，對(duì)258 mL啤酒瓶在有包裝和無(wú)包裝緩沖下進(jìn)行跌落仿真試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)緩沖包裝時(shí)，瓶體在1 m高度豎直、傾斜15°和水平跌落的最大沖擊應(yīng)力值分別為147、517和277 MPa，均因沖擊應(yīng)力過(guò)大，瓶體強(qiáng)度不夠而破碎。在有6 mm厚、BC型5層瓦楞紙箱防護(hù)緩沖下，瓶體從1.0、0.5 m高度跌落時(shí)的最大沖擊應(yīng)力分別為5.0和3.4 MPa，說(shuō)明包裝材料對(duì)酒瓶起到較好的防護(hù)作用。最大應(yīng)力位置分別位于瓶底邊緣圓周和瓶肩弧形凸起部位，因此在酒瓶搬運(yùn)和輸送時(shí)注意保護(hù)瓶底邊緣和弧形凸起部位。