基于ANSYS的258 mL小容量啤酒瓶跌落仿真應力分析

王吉祥，王家勝

(1.青島農業大學機電工程學院，山東 青島 266109； 2.青島啤酒股份有限公司，山東 青島 266109)

0 引言

隨著消費者口味的個性多元化，啤酒瓶裝規格也向多樣化發展，小瓶型啤酒受到消費者的青睞，在市場占有比例逐漸增加。玻璃啤酒瓶是易碎品，掌握酒瓶跌落力學狀態是指導生產運送和運輸過程中包裝防跌碎的重要依據。現階段，已有諸多學者對包裝件運輸搬運過程中的跌落沖擊情況進行了研究[1-7]。王春霖等[8]對空瓶和貯酒兩種狀態跌落試驗得到時間應力曲線圖。門超等[9]基于ANSYS Workbench對紅酒包裝進行跌落仿真分析及優化設計。劉艾等[10]基于ANSYS對白酒包裝件跌落進行有限元分析與優化設計。以上研究主要對常規大酒瓶為分析對象，258 mL啤酒瓶與常規大容量的溜肩瓶、端肩瓶的瓶體外形輪廓并不相同，目前對小瓶型啤酒瓶的研究并不多，缺乏對小瓶型跌落沖擊應力分析方面的研究。本文以青島啤酒258 mL容量的小型玻璃酒瓶為研究對象，對瓶體以不同姿態、有無緩沖包裝發生跌落沖擊展開研究，通過ANSYS有限元分析軟件得到瓶體跌落觸底瞬間的應力分布云圖及應力最大值位置，得到瓶體跌落沖擊應力分布規律，為該類型酒瓶的運送包裝防護及生產線輸運保護提供技術支持。

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，其結構形態如圖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個啤酒瓶、1個瓶蓋、1個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 材料設置

為了接近瓶體跌落沖擊的真實效果，需要對酒瓶、瓶蓋等包裝件設置準確的材料力學特性參數，主要包括模型的材料密度、彈性模量和泊松比。其中酒無彈性模量，主要取其質量參數。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，具體參數如表1所示，其中，BC型雙瓦楞紙箱為多層結構。

表1 各材料的物理參數

1.3 接觸設置

瓶蓋和瓶體是緊密配合的，所以酒瓶與瓶蓋接觸設置為Boned(綁定)。為了便于取放啤酒瓶，在建立模型時，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軟件會自動偵測、識別瓶底與紙箱的接觸部位。在豎直方向跌落時，兩者可分離，兩者接觸設置為frictionless(無摩擦)。瓦楞紙箱與地面也設置為frictionless。

1.4 模型網格

網格劃分對分析結果精度有重要影響。通過Details of Mesh面板來修改網格參數的大小，綜合考慮計算精度與計算效率，對啤酒瓶和緩沖包裝進行自由網格劃分，如圖3所示，共劃分為24 406個節點、13 612個網格。

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

2 無緩沖包裝跌落仿真分析

為了比較258 mL啤酒瓶有無緩沖包裝的跌落沖擊情況，先對瓶體不加緩沖包裝進行跌落仿真分析，得到最大沖擊加速度和最大應力值。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，以不同姿態多角度進行自由落體運動。當啤酒瓶從1 m高度下落至到地面時，由自由落體公式得出其末速度為4.47 m/s，該速度作為試驗的沖擊初速度。劃分網格后，從高往低運動發生跌落，在ANSYS軟件中的Transient選項設置X軸和Z軸速度都為0，在Y軸方向給酒瓶一個4.47 m/s的初速度，分析時間0.001 s，得到啤酒瓶以不同姿態落地沖擊瞬間應力分布如圖4所示，最大應力及位置如表2所示。

圖4 酒瓶在不同方向跌落的應力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力分布

酒瓶在豎直方向的跌落，最大沖擊應力出現在瓶底邊緣圓周上，最大應力值147 MPa；傾斜15°跌落最大沖擊應力出現在觸地點位置，最大應力值517 MPa；水平方向跌落最大沖擊應力出現在瓶肩凸起部位與地面接觸點，最大應力值277 MPa。當啤酒瓶在距離地面1 m的位置以不同姿態做自由落體運動時，酒瓶因強度不夠而破碎。

3 有緩沖包裝跌落仿真分析

從上述跌落仿真試驗結果可知，酒瓶不加緩沖包裝時很容易發生跌落破碎。為了保證酒瓶運輸安全，避免瓶體破碎引起的劃傷、割傷等情況，需要合理選材和設計緩沖包裝結構。瓦楞紙箱因其質量小、強度高、易加工成型等優點，在啤酒包裝領域應用廣泛。采用6 mm厚的BC型5層瓦楞紙箱作為緩沖包裝材料，對酒瓶不同跌落高度進行仿真分析。

啤酒瓶屬于易碎品，紙箱外包裝會明確給出箱體放置方向。成年人在搬運過程，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力情況，應力分布如圖5所示。

圖5 有緩沖酒瓶跌落應力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，沖擊瞬間最大應力比無緩沖包裝時大大降低。當跌落高度為1 m時，最大沖擊應力為5 MPa，最大應力出現在瓶底邊緣圓周上；258 mL啤酒瓶與常規的500、600 mL溜肩瓶結構不同，在瓶肩位置有圓弧凸起過渡，這種圓弧凸起過渡設計符合人體手握小容量酒瓶的力學特性。當跌落高度為0.5 m時，最大沖擊應力為3.4 MPa，最大應力出現在瓶肩圓弧凸起部位。瓦楞紙箱吸收了跌落過程中的大部分沖擊能量，起到較好的緩沖作用。

4 結束語

建立258 mL小容量啤酒瓶及緩沖包裝三維有限元仿真模型，對其進行材料力學參數定義賦值和網格劃分，基于ANSYS軟件，對258 mL啤酒瓶在有包裝和無包裝緩沖下進行跌落仿真試驗。

試驗結果表明，無緩沖包裝時，瓶體在1 m高度豎直、傾斜15°和水平跌落的最大沖擊應力值分別為147、517和277 MPa，均因沖擊應力過大，瓶體強度不夠而破碎。在有6 mm厚、BC型5層瓦楞紙箱防護緩沖下，瓶體從1.0、0.5 m高度跌落時的最大沖擊應力分別為5.0和3.4 MPa，說明包裝材料對酒瓶起到較好的防護作用。最大應力位置分別位于瓶底邊緣圓周和瓶肩弧形凸起部位，因此在酒瓶搬運和輸送時注意保護瓶底邊緣和弧形凸起部位。