章小丹，牛興霞

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北省唐山市 063020）

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在塑料包裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

章小丹，牛興霞

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北省唐山市 063020）

綜述了塑料包裝的最常見的包裝形式以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）在塑料包裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)的同時，使用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）進(jìn)行模擬和優(yōu)化。采用CAD與CAE模擬仿真交替進(jìn)行，不斷重復(fù)，直至確定最佳的塑料包裝設(shè)計(jì)方案。根據(jù)繪圖環(huán)境的不同分為二維CAD和三維CAD。其中，二維CAD主要進(jìn)行二維圖形的設(shè)計(jì)，三維CAD主要進(jìn)行三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)。通常先利用三維CAD軟件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，再運(yùn)用其工程制圖模塊導(dǎo)出二維工程圖。然后，運(yùn)用CAE進(jìn)行靜應(yīng)力、密封試驗(yàn)等分析，進(jìn)而優(yōu)化包裝容器的設(shè)計(jì)。采用CAD和CAE對塑料包裝材料和系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真模擬，不僅可以使設(shè)計(jì)更加合理，而且可以有效降低開發(fā)成本和開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)輔助工程 塑料 包裝

塑料包裝是最常見的包裝形式，具有防潮隔濕，壽命長，可塑性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品藥品、電子機(jī)械產(chǎn)品和日用商品等包裝。塑料包裝有軟包裝和硬包裝之分。一般將薄膜厚度在0.25 mm以下的片狀塑料包裝定義為軟包裝。硬包裝以容器形式居多。為滿足塑料包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既符合產(chǎn)品的功能需求、美學(xué)要求、人機(jī)工程學(xué)要求，又符合塑料結(jié)構(gòu)件的成型工藝要求，需要借助計(jì)算機(jī)輔助手段進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的同時，使用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）進(jìn)行模擬和優(yōu)化。塑料包裝設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與CAE模擬仿真交替進(jìn)行，不斷重復(fù)，直至確定最佳設(shè)計(jì)方案［1-2］。

廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代包裝設(shè)計(jì)的CAD技術(shù)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對包裝材料緩沖設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)方案繪制進(jìn)行三維展示，以及最后的打樣。根據(jù)繪圖環(huán)境的不同分為二維CAD和三維CAD。其中，二維CAD主要進(jìn)行二維圖形的設(shè)計(jì)，三維CAD主要進(jìn)行三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)。包裝設(shè)計(jì)中常用的二維CAD軟件是AutoCAD軟件。1982年，美國Autodesk公司首次推出了AutoCAD軟件。AutoCAD軟件具有開放的體系結(jié)構(gòu)，允許用戶進(jìn)行修改擴(kuò)充，已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)出基于AutoCAD的實(shí)際應(yīng)用軟件。常用的三維CAD軟件有Pro/E，SolidWorks等。通常先利用三維CAD軟件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，再運(yùn)用其工程制圖模塊導(dǎo)出二維工程圖，然后將其導(dǎo)入專用的二維CAD軟件中進(jìn)行修改、尺寸標(biāo)注等二維設(shè)計(jì)，生成最終的二維圖紙。常用對塑料包裝模具進(jìn)行有限元分析的軟件是美國Ansys公司開發(fā)的Ansys軟件。Ansys軟件可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、成型過程的流體分析以及熱分析等［3-4］。

1 AutoCAD軟件應(yīng)用于管式折疊硬質(zhì)塑料包裝盒的外形設(shè)計(jì)

對于包裝行業(yè)，CAD軟件功能包括盒型庫、繪圖功能、自動標(biāo)注尺寸、模擬折盒、自動拼版等。在管式折疊硬質(zhì)塑料包裝盒的設(shè)計(jì)程序中，盒體采用二維作圖，將平面劃為X軸和Y軸，繪圖設(shè)計(jì)以坐標(biāo)軸為準(zhǔn)，將盒體不同點(diǎn)之間的線性關(guān)系用函數(shù)表示。使用AutoCAD軟件自動篩選，得到盒體成型所需的預(yù)折線和作業(yè)線。盒底設(shè)計(jì)時使用AutoCAD軟件中包含的繪圖命令，根據(jù)尺寸參數(shù)畫出剪裁線的長度和寬度。盒蓋是獨(dú)立結(jié)構(gòu)，起密封作用。盒蓋的結(jié)構(gòu)有密封式、抽插式和黏合式。在編程時可采用盒底鏡像編程，盒蓋多余結(jié)構(gòu)根據(jù)尺寸參數(shù)另行編程。然后運(yùn)行繪圖指令直至運(yùn)行成功。使用AutoCAD軟件中的接口輸出設(shè)計(jì)圖樣。將以上設(shè)計(jì)出的管式折疊硬質(zhì)塑料包裝系統(tǒng)安裝在Windows XP系統(tǒng)中，程序設(shè)計(jì)完成后可以進(jìn)行仿真試驗(yàn)。使用AutoCAD軟件對管式折疊塑料包裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以提高設(shè)計(jì)效率，減少生產(chǎn)成本［5-6］。

2 基于Pro/E軟件的塑料飲料瓶設(shè)計(jì)

Pro/E軟件由美國參數(shù)化技術(shù)公司開發(fā)，具有參數(shù)化設(shè)計(jì)、模塊化、給予特征建模、單一數(shù)據(jù)庫等特點(diǎn)。首先用Pro/E軟件勾勒出飲料瓶輪廓圖形，再對瓶體進(jìn)行回轉(zhuǎn)截面設(shè)計(jì)，確立關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制后執(zhí)行旋轉(zhuǎn)命令，得到瓶體基體三維模型。由于瓶體拐角尖銳，制作過程中會出現(xiàn)裂痕，且不安全，采用Pro/E軟件中倒圓角命令，對尖銳拐角光滑處理。此時，瓶體的基本功能可以滿足。功能設(shè)計(jì)完成后還要滿足特征設(shè)計(jì)。為體現(xiàn)瓶內(nèi)飲料的特性，需要在瓶體上設(shè)置特殊圖形。在瓶體軸剖面中設(shè)圖案二維造型，再利用投影命令將圖案的輪廓投影到瓶體，輪廓隨瓶體變化呈現(xiàn)出三維曲線，借助曲面混合特征，設(shè)計(jì)出圖案的三維結(jié)構(gòu)。為使瓶體保持最初的形狀，防止運(yùn)輸過程中發(fā)生形變損壞，需要一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，在瓶底設(shè)計(jì)星型突狀結(jié)構(gòu)。采用掃描剪切命令，在瓶軸剖面創(chuàng)建掃描軌跡線，截面設(shè)計(jì)為圓形，截面沿軌跡線運(yùn)動，在瓶體底部創(chuàng)建內(nèi)凹圓弧槽，完成星型加強(qiáng)設(shè)計(jì)。實(shí)體特征設(shè)計(jì)完成后，需要對瓶體薄殼化處理。先進(jìn)行抽殼處理使得瓶體壁厚均勻，對瓶體進(jìn)行等厚偏移即可制出所需厚度的瓶體。對于瓶口的設(shè)計(jì)，由于瓶口是螺紋結(jié)構(gòu)，可以利用Pro/E軟件螺旋掃描功能。確定掃描軌跡、螺距及螺紋截面形狀［7］。由此，使用Pro/E軟件參數(shù)化建模，確定特征命令并輸入?yún)?shù)，即可方便地設(shè)計(jì)出飲料包裝瓶。效果圖能在PDF文件查看，并且可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移等操作來優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，很方便地開發(fā)出系列化產(chǎn)品，減少打樣環(huán)節(jié)，縮短開發(fā)周期。

3 SolidWorks軟件應(yīng)用于塑料包裝瓶的造型設(shè)計(jì)及有限元分析

3.1 塑料包裝瓶的造型設(shè)計(jì)

SolidWorks軟件是法國達(dá)索系統(tǒng)公司旗下的子公司SolidWorks公司開發(fā)的三維CAD軟件，具有零件建模、曲面建模、鈑金設(shè)計(jì)等模塊。運(yùn)用SolidWorks軟件可以方便地對塑料包裝瓶進(jìn)行三維造型和有限元分析。

首先對塑料包裝瓶的結(jié)構(gòu)參數(shù)化，建立特征模型。SolidWorks軟件中零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)可通過內(nèi)嵌的圖表文件Excel中指定參數(shù)來創(chuàng)建，也可以通過程序的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。中空塑料瓶幾何形狀相似，大小尺寸不同，輸入?yún)?shù)得到不同尺寸的中空塑料瓶結(jié)構(gòu)， 使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以重復(fù)。系統(tǒng)會在編輯好的驅(qū)動函數(shù)調(diào)用下，根據(jù)對話框中的參數(shù)， 進(jìn)行自動建模和尺寸控制，并運(yùn)行宏錄制命令，錄制整個建模過程。

對保存的宏文件進(jìn)行整理，保留變量聲明、程序入口、程序運(yùn)行、基準(zhǔn)面選擇、圖形插入以及特征創(chuàng)建等代碼，進(jìn)行錄制整理調(diào)試，調(diào)用Solidworks軟件中的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)完善工程圖紙中的信息。建模后，為滿足生產(chǎn)中的不同需求，需要對材質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量特性分析?？梢允褂媚Ｐ吞卣鳂溥M(jìn)行材料選擇，也可加載SolidWorks軟件中的PhotoWorks插件選擇材質(zhì)。調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)渲染得到很好的展示效果［8］。

SolidWorks軟件可以自動生成所需的包裝容器的三維實(shí)體模型，簡化了容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圖形繪制，提高了設(shè)計(jì)效率。

3.2 有限元分析

使用SolidWorks軟件自帶的Simulation插件進(jìn)行有限元分析，可以自動生成網(wǎng)格，進(jìn)行跌落試驗(yàn)、靜應(yīng)力、密封試驗(yàn)等分析［9］。碳酸飲料包裝瓶內(nèi)部有灌裝壓力，需要進(jìn)行耐內(nèi)壓強(qiáng)度模擬測試。點(diǎn)擊軟件中的Simulation插件，選取所應(yīng)用的聚對苯二甲酸乙二酯（PET）材質(zhì)，包裝瓶就會被賦予相應(yīng)材料的特性。設(shè)定內(nèi)邊線固定的瓶體截面，設(shè)定所需壓強(qiáng)。采用系統(tǒng)自動加密網(wǎng)格化參數(shù)生成網(wǎng)格，運(yùn)行測試。例如：苗洪濤等[10］通過使用Simulation插件對碳酸飲料瓶進(jìn)行有限元分析，確定了瓶底增加的厚度，并對設(shè)計(jì)內(nèi)凹瓶底進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將包裝瓶底部厚度由2 mm改為4 mm，并作凹陷處理的優(yōu)化方案［11-12］。

通過使用SolidWorks軟件的中空塑料包裝容器耐內(nèi)壓強(qiáng)度的有限元分析，可以對塑料碳酸飲料瓶、中空塑料包裝容器結(jié)構(gòu)、包裝容器所使用材料的合理性以及容器耐壓載荷進(jìn)行測試，提高生產(chǎn)效率［10］。

4 基于Ansys軟件的軟塑包裝熱封強(qiáng)度分析

應(yīng)用于牙膏等的軟管包裝，熱封強(qiáng)度對軟塑包裝材料是重要的性能指標(biāo)。夏晶晶等［13］使用Ansys軟件中有限元分析方法對軟塑管的熱封溫度、熱封時間和熱封壓力進(jìn)行分析。將三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench軟件進(jìn)行分析。在進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析過程中，分析了內(nèi)部氣壓、管尾厚度、管尾長度、管身長度以及材料物理性質(zhì)對熱封口強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：材料密度不會導(dǎo)致熱封失效，同時確定了管壁厚度為0.4～0.5 mm、管身長度為65.0～70.0 mm，管尾長度為44.0～54.0 mm，滿足軟塑包裝熱封強(qiáng)度的要求。

5 應(yīng)用于生鮮農(nóng)產(chǎn)品氣調(diào)包裝CAD系統(tǒng)

曹菲［14］使用CAD對果蔬的氣調(diào)包裝進(jìn)行研究，建立數(shù)學(xué)模型，在果蔬產(chǎn)品呼吸速度模型和塑料薄膜透氣性數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，開發(fā)出果蔬氣調(diào)包裝CAD系統(tǒng)。

常見的生鮮產(chǎn)品采用薄膜包裝。根據(jù)食品種類、保藏要求及包裝材料進(jìn)行恰當(dāng)選擇，為確保包裝食品保險(xiǎn)質(zhì)量高、營養(yǎng)成分好，可以采用真空包裝或氣調(diào)包裝。例如：選用阻隔性能和機(jī)械性能良好的聚碳酸亞丙基酯（PPC）/聚乙烯醇（PVA）/PPC復(fù)合膜，對冷鮮肉進(jìn)行真空包裝并貯藏在4 ℃環(huán)境下，冷鮮肉的貨架期可延長至19天，也可以對冷鮮肉進(jìn)行充氣包裝（O2的體積分?jǐn)?shù)為50%，CO2的體積分?jǐn)?shù)為25%，N2的體積分?jǐn)?shù)為25%），由PPC/PVA/PPC復(fù)合膜和聚酰胺（PA）/聚乙烯膜包裝的冷鮮肉貨架期均可達(dá)到23天。將非可降解材料PA和低密度聚乙烯（LDPE）制備成LDPE/PA/LDPE復(fù)合膜用于新鮮鱸魚的氣調(diào)包裝（O2的體積分?jǐn)?shù)為10%，CO2的體積分?jǐn)?shù)為60%，N2的體積分?jǐn)?shù)為30%），貨架期可延長至17天。用PET/乙烯-乙烯醇（EVOH）/LDPE復(fù)合膜對切碎的牛肉進(jìn)行氣調(diào)包裝（O2的體積分?jǐn)?shù)為50%，CO2的體積分?jǐn)?shù)為30%，N2的體積分?jǐn)?shù)為20%），貨架期可延長到40天［15-16］。

果蔬氣調(diào)包裝CAD系統(tǒng)確定了在一定溫度條件下，適合于氣調(diào)包裝的薄膜材料以及薄膜的面積，薄膜的厚度，氣體平衡時間和構(gòu)成等。使用者通過CAD軟件流程操作可以快速進(jìn)行常見果蔬產(chǎn)品的氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)。例如：對產(chǎn)于天津市郊的新鮮尖葉菠菜進(jìn)行包裝，包裝質(zhì)量為0.23 kg。通過果蔬氣調(diào)包裝CAD系統(tǒng)選取了適合的包裝形式。包裝薄膜為聚丙烯薄膜，其厚度為32 μm，氣調(diào)的O2透氣系數(shù)為1 452 mL·μm/[m2·h·（0.1 MPa)］，CO2透氣系數(shù)為4 098 mL·μm/[m2·h·（0.1 MPa)］，薄膜尺寸為35 cm×30 cm，薄膜表面積為0.21 m2[14］。

6 結(jié)語

采用CAD和CAE對塑料包裝材料和系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真模擬，確定最佳的塑料包裝的設(shè)計(jì)方案，不僅可以使設(shè)計(jì)更加合理，而且可以有效地降低開發(fā)成本和開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。

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Application of CAD in plastic packing design

Zhang Xiaodan， Niu Xingxia
（Tangshan Polytechnic college， Tangshan 063020）

This paper reviews ordinary packing and application of computer aided design（CAD）in plastic packing design and computer aided engineering（CAE）is used design to simulate and optimize. CAD and CAE simulation was applied alternately and repeated until the best plastic packing design was confirmed.The design projects are divided two-dimension（2D）and three-dimension（3D）on the basis of draw environment.2D CAD is applied in 2D graph design. 3D CAD is applied in 3D entity modeling design. 3D CAD softwares are applied to model design firstly, and engineering drawing softwares are applied to deduce 2D engineering graph, then static stress and seal test is analyzed by CAE and packing container design is optimized. Application of CAD and CAE to design and simulate plastic packing material and system not only make the design more reasonable but also reduce the development cost and period and improve the production efficiency.

computer aided design； computer aided engineering； plastic； packing

TQ 015.9

A

1002-1396（2017）06-0097-04

2017-07-08；

2017-09-15。

章小丹，女，1981年生，碩士，講師，2007年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及塑料包裝設(shè)計(jì)工作。E-mail：75922854@qq.com。