基于抗壓強度的飲料瓶拉伸吹塑工藝參數優化研究

崔濤,宋衛生

（河南牧業經濟學院，河南 鄭州 450046）

近些年來，我國的飲料行業發展迅速，塑料瓶作為飲料的主要包裝形式，也得到了迅猛的發展。塑料飲料瓶的輕量化是實現包裝綠色化與降低包裝成本的有效手段[1]。國內外相關研究機構與企業均對其進行了廣泛的研究。

周燁[2]使用POLYFLOW 仿真軟件，研究了瓶體成型的工藝條件與瓶坯的結構尺寸對瓶體軸向壁厚分布均勻性的影響。孫川等[3]以壁厚作為指標開展了PET 高瓶頸瓶吹塑工藝的參數化，得出了優化過的工藝參數組合及其壁厚。鄭玉卿[4]等利用Lsdyna971 顯式算法和實物實驗對飲料瓶包裝的結構進行仿真評價，對比后發現仿真與實物實驗的結果偏差不超過15%。呂超[5]通過有限元仿真成型，開展了正交試驗，得出了工藝條件和壁厚均勻度二者之間的關系。呼春雪[6]通過仿真成型，將多個工藝條件綜合考慮，經過信噪比均值分析與方差分析，進而實現工藝的優化。劉良先[7]等采用正交試驗法，優化了工藝參數，使得最小壁厚增大了28%，瓶體的壁厚均勻度提高了63%。A.Lontos等[8]等利用B-SIM 仿真軟件聯合ANSYS 軟件進行了瓶體仿真成型與瓶體抗壓仿真分析。周燁、辛勇[9]通過對多個瓶坯的拉吹成型過程進行模擬分析，預測出不同尺寸的瓶坯所成型的PET 瓶壁厚分布，并分析比較瓶坯尺寸對制品壁厚分布的影響。陳亞慧等[10]等利用ANSYS 軟件研究了不同的環狀結構、不同的尺寸和不同分布等對瓶軸向承載能力的影響，并分析了PET 瓶的變形特點。郭太松[11]利用有限元的瓶結構優化設計方法，按照將瓶分段化的思路，得出瓶子的最小克重。袁瑋等[12]等利用ANSYS 軟件，分析了厚度對PET 瓶力學性能的影響。蘇良瑤[13]通過HYPERMESH 前處理和ANSYS 的計算，以瓶體抗壓的屈曲應力為指標，優化了瓶體結構。從目前研究來看，研究手段以有限元仿真為主，研究內容主要集中在厚度分布均勻性研究與結構對抗壓性能研究兩個方面，前者以厚度分布均勻為目標，但是對抗壓性能并未涉及；但在研究結構對抗壓性能研究過程中，沒有考慮瓶體厚度分布的不均勻性。目前，針對工藝參數或瓶坯尺寸對成型后瓶體抗壓強度影響的研究較少。為解決以上問題，文中提出了在ANSYS 中進行仿真成型與仿真性能分析的聯合方法，為提高瓶型開發速度，降低開發成本以及輕量化提供方法參考。

1 PET 瓶成型工藝模擬

二步法注射拉伸吹塑是目前飲料瓶主流的成型工藝[14]。文中利用POLYFLOW 軟件模擬其拉伸吹塑過程。

1.1 模型構建

首先通過Pro/E 分別對拉伸桿、模具、瓶坯進行建模，如圖1 中（a）、（b）、（c）圖所示，建模完成之后需將其保存為IGS 格式，以便后續將三者導入到ANSYS WORKBENCH 中進行組裝，組裝后的效果圖如圖1 中（d）所示。

圖1 拉伸吹塑各部件的幾何模型Fig.1 Geometric model of each part in stretch blow molding

1.2 PET 瓶拉伸吹塑模擬實驗

拉伸桿的整個運動過程中，速度并不是從始至終保持不變的，而是在一定的時間段內，與時間具有一定的函數關系[15]，該函數關系式以時間為變量，如圖2 所示。

圖2 拉伸速度的時間分布Fig.2 Time distribution of stretching speed

然后進行子任務的創建，根據吹塑工藝的時許，對瓶坯的吹塑過程進行模擬，吹脹延遲時間、預吹壓力、高吹壓力的數值將按照一定的函數關系進行設置，如圖3 所示，圖中橫坐標t1開始吹脹，橫坐標第二個節點時間t2即代表吹脹延遲時間，t2到t3是預吹塑階段，后邊即為高吹階段，縱坐標所表示為壓力的倍數。具體的數值設定則根據不同參數要求而有所不同。

圖3 吹塑壓力的時間分布Fig.3 Time distribution of blow molding pressure

對于瓶坯本身的材料特性，其密度設置為1000kg/m3，整個拉伸吹塑過程中的，材料的粘度將設為恒定的，不隨瓶坯的運動而產生變化，同時整個拉伸吹塑階段，慣性也將會設置其中。對于整個瓶坯的厚度，是按照不同的高度設置不同的厚度分布，不同的實驗參數模擬下，瓶坯的此厚度值是不變的，其設置如下表1 所示。

表1 瓶坯厚度分布Tab.1 Thickness distribution of bottle preform

然后設置實驗的最大成功步數，以上操作完成，保存退出并開始計算分析。根據下表2 所示的工藝參數，當選擇其中一個參數作為變量時，其余三個參數均選擇數值范圍內的中間值，在設定好單因素實驗參數分布的基礎上，即可逐步展開。

表2 工藝參數Tab.2 Process parameters

2 PET 瓶抗壓性能測試模擬分析

為了使抗壓實驗的有限元模型具有相對真實的瓶體厚度分布，首先對拉伸吹塑成型模擬得出的PET 飲料瓶進行不同部位的厚度提取，以瓶底為基準，往瓶子的上部進行有規律的提取，每一個高度下提取出來的厚度文件，代表的是該高度下PET 瓶一圈的厚度值，對此高度值求取平均值，以平均值作為該高度下的最終厚度值。以此類推，其他的高度的厚度值也是如此計算。通過此方法即可得出吹塑而成的PET 瓶厚度數據。將以上操作所得的厚度數據以實常數的形式賦予給抗壓實驗的瓶體shell 模型，即可在ANSYS LSDYNA 中進行抗壓實驗的模擬。圖4 所示為厚度不均瓶體壓縮過程中的應力云圖。

圖4 瓶體壓縮應力云圖Fig.4 Cloud chart of bottle compression stress

3 實驗設計

通過正交實驗和多重循環實驗獲取不同參數下的最優組合。首先正交實驗將選取四個因素三個水平，正交水平數據如下表3 所示，在此實驗的基礎上進行壓縮實驗并提取數據，如下表4 所示。

表3 正交實驗各工藝參數水平Tab.3 Each process parameter level of orthogonal experiment

表4 正交實驗設計與結果Tab.4 Orthogonal experimental design and results

對以上實驗結果進行進一步的分析判斷，從上表5 方差分析結果來看，對PET 瓶的抗壓強度影響較大的因素，從大到小依次排列為吹脹延遲時間、高吹壓力、預吹壓力、拉伸桿速度即吹脹延遲時間和高吹壓力是影響較為明顯的兩個因素。

表5 正交實驗方差分析結果Tab.5 Results of analysis of variance in orthogonal experiment

在此基礎上開展多重循環實驗，此次循環的正交實驗將選取兩個因素四個水平，對于拉伸桿速度、預吹壓力將選取固定數值作為常量，分別為0.174m/s、1.5MPa，正交水平如下表6 所示，通過第二次正交提取的數據如下表7 所示，由此可進一步地去優化參數。

表6 多重循環實驗各工藝參數水平Tab.6 Process parameter level of multiple cycle experiment

表7 多重循環實驗設計與結果Tab.7 Design and results of multi cycle experiment

4 參數優化

在以上實驗的基礎上可知吹脹延遲時間和高吹壓力是影響瓶體抗壓強度的最明顯的參數，通過1stOpt軟件對提取到的數據進行多項式擬合，將吹脹延遲時間、高吹壓力分別設置為x1、x2，并將其作為優化變量，抗壓強度作為目標函數y，擬合的函數公式（1）如下：

通過準牛頓法和通用全局優化法優化得出結果，可知相關系數之平方R2為0.99299，說明擬合精度較高。各參數擬合所得數據如下：a 為925.136、b1為-3300.279、b2為-7.717、c1為5738.422、c2為-1.437。

利用以上擬合得到的參數，取吹脹延遲時間的時間范圍為0.3 ～0.5s，高吹壓力為3.2 ～5.2MPa，以抗壓強度y 最高位目標進行優化。發現當吹脹延遲時間為0.5s，高吹壓力為3.2MPa 時，抗壓強度最高，最高值為680.454Pa。

將拉伸桿速度為0.177m/s、高吹壓力為1.5MPa、吹脹延遲時間為0.5s、預吹壓力3.2MPa，這些參數設置于吹脹模擬實驗中，通過壓縮實驗得出PET 瓶的抗壓強度為680.47Pa，與優化出來的結果幾乎非常接近，即可確認PET 瓶的最大抗壓強度為680.47Pa，同時最優的參數組合為拉伸桿速度為0.177m/s、吹脹延遲時間為0.5s、預吹壓力3.2MPa、高吹壓力為1.5MPa。

5 結論

文中通過ANSYS WORKBENCH中的POLYFLOW模塊進行了飲料瓶的拉伸吹塑模擬，得到了瓶體的厚度分布數據，在此基礎上利用實常數把厚度分布賦予給用于抗壓實驗的瓶體shell 模型，在ANSYS LSDYNA 中進行了瓶體的抗壓實驗。文中利用以上方法開展了正交實驗，并通過方法分析得到了影響抗壓強度的關鍵工藝參數，并利用所得的關鍵工藝參數設計了多重循環實驗，利用所得數據，利用1stOpt 軟件進行了以吹脹延遲時間、高吹壓力為變量抗壓強度為因變量的參數擬合，之后利用所得參數進行了以抗壓強度最大為目標的單目標優化計算，得到最大抗壓強度為680.454 Pa，同時最優的參數組合為拉伸桿速度為0.177 m/s、吹脹延遲時間為0.5s、預吹壓力3.2MPa、高吹壓力為1.5MPa。最后進行了最優結果的驗證，在該工藝條件下，所得瓶體的抗壓強度實測為680.47Pa，該數據與優化結果非常接近，說明優化結果有效。因此，文中所提出在ANSYS 中進行成型與抗壓測試的聯合模擬方法具有一定的應用價值，可以為飲料瓶一類的塑料包裝容器的開發與工藝優化提供思路與參考。