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:I、冷灌装趙:(碳酸瓶h3、热灌装瓶匚为滝足牛产工艺収及运输、储藏筹需求,对FET瓶提匕许多性能要求*
(1>密封性能:要求无潘漏.
(2)垂直载压性能:不冋的瓶F要求值不叵,详见表斗」。
表4」不同跖甘PET瓶的垂宵载压值【单位:小:
1
盗瓶耳亘载斥
淞裳后垂直载压
冷灌菠杯
>150—[
含气饮料瓶
孑250
不作要求!
讯装瓶
2120
"^180
3)跌落性能:"
耐熬性能■:.对于热灌装瓶〕:灌装启瓶体无明显凹陷变形、环扁瓶。
耐内压力性能诜于含气饮料瓶h耐内址力值^O^SMPao
保嵐期要求:饮料不变质,对「含气饮料瓶还要求C02损失率£15%.
其中密时性能是受瓶坯瓶口苦尺寸所決応的,和瓶子没有虫接关系:跌落性能“耐內压性能与瓶底的应力分和育虫接联系,主要受制瓶工艺的影响七保质期的要求为要是由瓶子的璧些以及材料的阻隔性能所确定:所以本文上要对瓶子的垂頁载乐存能和耐热性能进行研究.
目前我国PET瓶自主设计的很少,基本上都是由国外制瓶厂商所提供设计的。即使有目主设计的,也还是停留在模仿和试验验证的基础上,即“模仿改形一试验模一试模一改进一试橈一改进……”的过程,严重影响了企业新产品的开发速度,同时也浪费多次试验模的资金。如今随着PET原材料价格的不断上涨,就要求瓶子的重量降到最低,因此成熟完善的瓶形优化设计方法,对于提高PET瓶的综合性能,减轻瓶体克垂非常有帮助,同时也将会为饮料生产企业带来非常可观的经济效益。
PET瓶形设计是一个综合考虑美观、模具加工性、吹瓶工艺、灌装工艺等多反面的因素,它是一个反复设计的过程,PET瓶的结构设计是整个PET瓶设计过程中的核心,.
从灌装方式的不同总结出一些基本的设计原理。
1、冷灌装瓶
由于冷涎装瓶的性能要求最主要是垂直载压性能要求,因此冷灌装瓶设计时,瓶子可以设计的比较轻,通常采弟在瓶身曲上多条横向加强筋来増加瓶子的强度。
2、含气饮料瓶
灌装后含气饮料内部压力较大,所以设计的垂点在于耐内压的瓶底结枸,通常此类瓶都采用5个花瓣形状的底部结构°
3、热灌装瓶
由于热灌装瓶需要承受热灌冷却后瓶子内部形成的强大负压值,因此设计时瓶子的
大部分面枳都需要设计成可变形的耐负压板柜,瓶身部分还需要设计多条加强筋,瓶底
都设计成耐负压的结构。因此热灌装瓶设计时在考龙瓶形美观的同时,更主要的是要考
虑耐负压板框的设计、以及加强筋的设计。
目前国内企业在进行瓶形的初始设计时,虽然有一些瓶形结构设计的原理,但瓶子上如耐负压板框的面积、结构形状,加强筋的数量、形状,位置的搀放等关键问题都需要由设计人员的经验来确定;然后进行试验模的设计、制作;在试制岀瓶坯和瓶子后,针刘试制的瓶子,检测其是否符合各项性能要求。如杲不待合标准要求,则需要对瓶形进行结构上的修改,。根据设计人员的经验不同,整个试制过程所需要时间也不同。,可以看出,瓶形设计过程往往是“试验模一试模一改进一试模一改进……”的过檢,严重影响了企业新产品的开发速发,同时也浪费多次试验模的资金。
瓶形造型/修改◄
试验模制作
j瓶子试制
<五子性能检沁•迓樂
找鞏模具制作
图3」常规瓶形设计流程
有限元法(FiniteElementMethod,FEM)是计算力学中的一种重要方法,它是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合和用的边缘科学。有限元扭发展至今,以其理论基础坚实、通用性强等优点,被广泛应用于工程实际的数值计算。尤萇随着计算机辅助技术的快速发展和各种成熟有限元分析软件旳广泛应用,有限元法连同计算机辅助设计技术和计算机辅助制造己成为数字化设计与制造技术的核心,被公认为是提高产品及工程设计质虽和效率的最有效工具。
有限元分析(FEA,FiniteElementAnalysis)就是用较简並的问题代替复杂问題后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一単元假定一个合适的(较简单的),从而得到问题的解c因为实际问題被较简单的问题所代替,所以这个解不是准确解,而是近似解,由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精•度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20崔纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫(Clcu前)数授形象地将其描绘为:''有限元法=RaylcighRitz法卜分片函数”,即有限元浓足RayleighRitz法的一种局部化情况。不同于求解(往往是因难的〉满足整个定义域边界条件的允许函数的RayleighRitz法,有限元法将函数定义在简单几何形状(如二维问题中的三角形或任童四边形)的单元域上(分片函数).且不考虑整个定义域旳复杂边界条件,这是有隈元法优于其他近似方法的原因之一。
有陨元法在工程中最主要的应用形式是结构的优化。有限元法的出现,使得传统的基于经验的结构设计趋于理性,设计岀的产品越来越精细,尤为突出的一点是,产品设计过程的样机试制次数大为减少,产品的可靠性大为拱高.
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342有限元分析基本步骤
对于不同物理性质和数学模型的问题,有限元求解法的基本步骤是相同的,只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常可分成三个阶段,前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型,完成单元网格划分,进行边界条件的设置;处理就是进行数值计算;后处理则杲对结果进行整理、分析,用表格或图线示出所需的值,使用户能御便提取信息,了解计算结杲。其中网格的划分、边界条件的选取会对计算结果产牛一定的影响,因此最终的解也不一定完全能够符合要求,可能还需要迸行进一步的修正计算。
针对目前企业采用的常规设计流程的獎端,结合有限元法的优势,提出基于有限元分析的瓶子结构的设计新流程,。
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新瓶总的耍求
谢3・2引入有限元分析的设计流程
相比较日前企业的瓶子设计流程,,在这个环节中设计人员根据以往旳一些参数来对瓶子进行相关的有限元分析,这些参数包括瓶子壁厚、PET片材的力学性能以及瓶于的一些检测数据等。通过这些参数可以分祈并优化瓶子的结构。在有限元分析基础上对瓶子进行结构优化,然后再进入下一环节的试验模具制造。比较国3」流程,。
344有限元分析在PET瓶优化设计中的作用
从前面介绍的PET瓶性能要求中,可以用到有限元进行进行分析的性能要求有:
垂直载压性能:通过对瓶子的垂直载压性能的分析,可以对瓶形结构进行优化设计,通过优化设计得到瓶子的最小壁厚,从而可以确定瓶子的最小克重,为轻童化役计提供基础数据。
耐热性能(对于热灌装瓶):通过对热灌瓶进行分析,对耐负压板框进行优化,对瓶体结构进行优化设计,同时得到优化后的瓶了最小樂厚,确定瓶子的最小克重,为轻量化设计提供基础数据。
耐内压力性能(对于含气饮料瓶):由于吹瓶工艺对含气瓶的瓶底PET料的分布影响较大,对底部PET材料力学性能影响较大,所以本文不作分析。
通过对瓶子模型的有限元分析,不仅可以对PET瓶结构进行优化设计,同时通过分析,可以得到瓶子的最小壁厚,从而得知陋子的最小理论克重,为瓶坯设计提供依据<
引入有限元分析进行瓶形设计与传统役讣相比较有以下几个明显优点:
减少试验模具的制作次数,通过计算机模拟对大呈的假设情况进行快速而有效的试验验证。
节省费用,降低设计与制造、开发的成本;
节省时间,缩短产品开发时间和周期;
创造出更可靠、高品质的产品设计.
PET瓶进行有限元分析需解决的问题
PET瓶在进行有限元分析时需解决分析过程中所需的找荷、边界条件和勿始条件。
PET瓶的热濯状态的分析
热淞装PET瓶主要应用于杀、果汁、含乳饮料筹包装’灌装前内容物温度一般都高达X8X?左左,灌装后随希PE丁瓶逐步冷却趋于星温时,PET瓶体内部就会产主一个较大的负压,使得瓶子出现凹陷的现彖。因此要对热潑PET瓶进疔有限元的分析,就必须对PET加在热灌后逐步冷却趋于稳定状态时,所受到负压值进行研究。
PET瓶片材的材料力学性能
常规有限元分析时,同一物体的材料机杭性能是一致的。在进行PET瓶模型有限元分析时,需要提供PET瓶材料的一些性能参数。主要参数包括PET瓶材料弹性模量、泊松比、屈服极眼等,由于PET瓶:注拉吹过程中复杂的双向拉伸工艺使得材料的力学性能变得非常复杂,在成型过程中的诸多因素导致了PET瓶材料的力学性能在轴向分布不一致,因此做有限元分析时需要昶决这个问题。
本文采用AliairHypeiWorks软件进行有限兀分析的«AltairHyperWorks足一个创新、开放的企业级CAE平台,它集成设计与分析所需各种工具,具有无比的性能以及高匿的开放性、灵活性和友好的用户界面。其中HyperMesh是一个高效的有限元前后处理器,能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型,与多种cad和cac软件有艮好的接口并具有高效的网格划分功能。
PET瓶的热灌性能分析
热涯裝FE1瓶權装前内容物温度比牧高,一般都高达889以上,灌装PET瓶在
逐步趋向室温时,PET和体内部就会产生一个较大的负压,使得瓶子出现凹陷的现象。
PET瓶的热灌装性能主要硏究PET瓶在热灌装液体之后,逐步冷却趙于稳定伏态时,所受到压力。在热灌装PET瓶中,我们需要考虑当灌装完毕后,PET瓶瓶身受到多大的奂压,对整个PET瓶产生多大的形变,能否彼实际应用所接受。
"
1、PET瓶的受热容量变化C】
:缩率的关系。普通PET瓶在85C时收缩率可达20%,但采用热濯装瓶专用PET粒子吹制的热灌瓶的收缩率通常在±1%〜%(瓶子的装量、结构不同,值略有不同儿
收缩率
--
1X
•
01**11•
828486889092
温度(°C)
影响瓶子受热容呈变化的主要因素有:
1)瓶子的结晶度和成型质量。这些是由制瓶的工艺来决定的,结品度和刚度的不同宜接影响着理子的热变形程度.
2)瓶子的储存时间和储存环境©瓶子储存时间越长,储存环境;的相对湿度越高,
瓶子容虽收缩越人。通常两步法制瓶工艺不存在瓶子的存储问题:一步法制瓶工艺在瓶子的存储上采用一个恒温恒湿的瓶仓进行存放,存放时间一般不超过4小时。
灌装温度。灌装温度越高,容屋攻缩就越大。所以灌装时要严格控制灌装温度在(88±2)*Co
瓶子本身的结构。不同的板框、加强筋设计,有不同的抗变形能力。
所以在碓定PET瓶的受热容量变化值一般都是采用试验的手段来获得。
2、顶隙空气
灌装点高度的确定:灌装时瓶内的残留空气位的从室温上升到80°C〜90°C;灌装点高度,影响着灌装后瓶内残留空气的体积。灌装点越低,瓶内残留空气容积越大,抵抗瓶子收缩变形的能力越小。通常,热灌装瓶灌装点在瓶于的支撐环下5mm处。由于此时顶隙空气的体积比较小,为了简化计算,在此忽略热灌冷却后顶隙空气在液体中的溶解度的变化。
3、热灌冷却至室温瓶内内容物的容量变化G
(1)瓶子满□容最%的计算
以水进行计算•*(3」)可以计算岀水的质量,由式(3-2)可以计算出88'C时水的体积为V2o
m=pW
(3-D
心
(3-2)
Pz
r/兀•〃:•(/?+5)
34
(3-3)
(3-4)
式中:"为25'C时水的密度,P1=;久为88°C时水的密度,必=/:人为瓶子顶隙空气的体积:d为瓶口内径,28mm热灌瓶口d|=,38mm热灌瓶口</2=:h为瓶口髙度,28mm热灌瓶口加=,
38mm热灌瓶口居=。
由式(3・3),从而由式(34)可以分别计算岀相应的卩。值。
(2)热灌冷却至室温后瓶内内容物的容莹变化C2为:
C\=人-匕=丛一匕(3-5)
Pi
PE丁瓶内负压值计算
以顶隙空气为研究对象,88C灌装时气体的体积为卩3,假设瓶子为刚体,由式(3-6)的计算可以得到冷却到259时气体的体积变化G值
G=C2-C((3-6)
由式(3・7)可以计算岀25C时气体的体积V.
r4=J/+c?-^+c2-c,(3-7)
再根据气体克拉伯龙方程式(3-8),由式(3-9)计算出冷却后25°C时瓶内的压强A值。
PV=nRT(3-8)
P,込(3-9)
式中为灌装时的压强,为1个标准大气压,戸=:r1为瀬装时的温度小=361K:%为冷却后的温度,门・298Kc
5、以500ml营养快线为例计算其从热灌冷却至室温后瓶内的压强值
己知旳=500ml,匕=15・(3・2)可以计算出^=(3・4)可以计算岀瓶子的满口容量rc.=,由式(3・5)可以计算出C;=
G值的礎定:取20只样瓶,先测出空叛的满口容量,然后上线进行热灌,带冷却
后,导出液体,再进彳亍满口容帛的测量,。