基于ANSYS的258 mL小容量啤酒瓶跌落仿真应力分析

王吉祥，王家胜

(1.青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109； 2.青岛啤酒股份有限公司，山东 青岛 266109)

0 引言

随着消费者口味的个性多元化，啤酒瓶装规格也向多样化发展，小瓶型啤酒受到消费者的青睐，在市场占有比例逐渐增加。玻璃啤酒瓶是易碎品，掌握酒瓶跌落力学状态是指导生产运送和运输过程中包装防跌碎的重要依据。现阶段，已有诸多学者对包装件运输搬运过程中的跌落冲击情况进行了研究[1-7]。王春霖等[8]对空瓶和贮酒两种状态跌落试验得到时间应力曲线图。门超等[9]基于ANSYS Workbench对红酒包装进行跌落仿真分析及优化设计。刘艾等[10]基于ANSYS对白酒包装件跌落进行有限元分析与优化设计。以上研究主要对常规大酒瓶为分析对象，258 mL啤酒瓶与常规大容量的溜肩瓶、端肩瓶的瓶体外形轮廓并不相同，目前对小瓶型啤酒瓶的研究并不多，缺乏对小瓶型跌落冲击应力分析方面的研究。本文以青岛啤酒258 mL容量的小型玻璃酒瓶为研究对象，对瓶体以不同姿态、有无缓冲包装发生跌落冲击展开研究，通过ANSYS有限元分析软件得到瓶体跌落触底瞬间的应力分布云图及应力最大值位置，得到瓶体跌落冲击应力分布规律，为该类型酒瓶的运送包装防护及生产线输运保护提供技术支持。

1 模型的建立及前处理

1.1 258 mL啤酒瓶及缓冲包装三维模型建立

研究对象为258 mL小容量玻璃啤酒瓶，瓶高220 mm，最大瓶身直径59 mm，其结构形态如图1所示。

图1 258 mL啤酒瓶二维正视图Fig.1 Two dimensional front view of 258 mL beer bottle

三维模型包括1个啤酒瓶、1个瓶盖、1个BC型双瓦楞纸箱，以及1块50 mm厚度的混凝土地面。用ANSYS Workbench软件，在Design modeler绘图窗格中绘制酒瓶及缓冲包装三维模型，如图2所示。

图2 258 mL啤酒瓶及缓冲包装三维模型Fig.2 3D model of 258mL beer bottle and cushioning packaging

1.2 材料设置

为了接近瓶体跌落冲击的真实效果，需要对酒瓶、瓶盖等包装件设置准确的材料力学特性参数，主要包括模型的材料密度、弹性模量和泊松比。其中酒无弹性模量，主要取其质量参数。模型材料涉及玻璃、瓶盖、混凝土和瓦楞纸箱，依次定义添加材料的密度、弹性模量及泊松比等参数，具体参数如表1所示，其中，BC型双瓦楞纸箱为多层结构。

表1 各材料的物理参数

1.3 接触设置

瓶盖和瓶体是紧密配合的，所以酒瓶与瓶盖接触设置为Boned(绑定)。为了便于取放啤酒瓶，在建立模型时，瓶身最大直径与瓦楞纸箱存在一定间隙；瓶底和纸箱有接触，ANSYS软件会自动侦测、识别瓶底与纸箱的接触部位。在竖直方向跌落时，两者可分离，两者接触设置为frictionless(无摩擦)。瓦楞纸箱与地面也设置为frictionless。

1.4 模型网格

网格划分对分析结果精度有重要影响。通过Details of Mesh面板来修改网格参数的大小，综合考虑计算精度与计算效率，对啤酒瓶和缓冲包装进行自由网格划分，如图3所示，共划分为24 406个节点、13 612个网格。

图3 258 mL啤酒瓶及箱体的网格划分Fig.3 Grid division of 258mL beer bottle and box

2 无缓冲包装跌落仿真分析

为了比较258 mL啤酒瓶有无缓冲包装的跌落冲击情况，先对瓶体不加缓冲包装进行跌落仿真分析，得到最大冲击加速度和最大应力值。啤酒瓶从距离地面1 m的位置，分别在竖直方向、水平方向、倾斜15°方向，以不同姿态多角度进行自由落体运动。当啤酒瓶从1 m高度下落至到地面时，由自由落体公式得出其末速度为4.47 m/s，该速度作为试验的冲击初速度。划分网格后，从高往低运动发生跌落，在ANSYS软件中的Transient选项设置X轴和Z轴速度都为0，在Y轴方向给酒瓶一个4.47 m/s的初速度，分析时间0.001 s，得到啤酒瓶以不同姿态落地冲击瞬间应力分布如图4所示，最大应力及位置如表2所示。

图4 酒瓶在不同方向跌落的应力Fig.4 Stress of wine bottle falling in different directions

表2 酒瓶在各种工况跌落下的最大应力分布

酒瓶在竖直方向的跌落，最大冲击应力出现在瓶底边缘圆周上，最大应力值147 MPa；倾斜15°跌落最大冲击应力出现在触地点位置，最大应力值517 MPa；水平方向跌落最大冲击应力出现在瓶肩凸起部位与地面接触点，最大应力值277 MPa。当啤酒瓶在距离地面1 m的位置以不同姿态做自由落体运动时，酒瓶因强度不够而破碎。

3 有缓冲包装跌落仿真分析

从上述跌落仿真试验结果可知，酒瓶不加缓冲包装时很容易发生跌落破碎。为了保证酒瓶运输安全，避免瓶体破碎引起的划伤、割伤等情况，需要合理选材和设计缓冲包装结构。瓦楞纸箱因其质量小、强度高、易加工成型等优点，在啤酒包装领域应用广泛。采用6 mm厚的BC型5层瓦楞纸箱作为缓冲包装材料，对酒瓶不同跌落高度进行仿真分析。

啤酒瓶属于易碎品，纸箱外包装会明确给出箱体放置方向。成年人在搬运过程，纸箱距离地面1 m左右，为了分析不同高度的跌落冲击情况，将酒瓶和瓦楞纸箱在竖直方向以1.0、0.5 m的跌落高度做自由落体，得到不同跌落高度下的应力情况，应力分布如图5所示。

图5 有缓冲酒瓶跌落应力Fig.5 Drop stress of wine bottle with buffer

由图5可知，加缓冲包装后，酒瓶竖直方向跌落时，冲击瞬间最大应力比无缓冲包装时大大降低。当跌落高度为1 m时，最大冲击应力为5 MPa，最大应力出现在瓶底边缘圆周上；258 mL啤酒瓶与常规的500、600 mL溜肩瓶结构不同，在瓶肩位置有圆弧凸起过渡，这种圆弧凸起过渡设计符合人体手握小容量酒瓶的力学特性。当跌落高度为0.5 m时，最大冲击应力为3.4 MPa，最大应力出现在瓶肩圆弧凸起部位。瓦楞纸箱吸收了跌落过程中的大部分冲击能量，起到较好的缓冲作用。

4 结束语

建立258 mL小容量啤酒瓶及缓冲包装三维有限元仿真模型，对其进行材料力学参数定义赋值和网格划分，基于ANSYS软件，对258 mL啤酒瓶在有包装和无包装缓冲下进行跌落仿真试验。

试验结果表明，无缓冲包装时，瓶体在1 m高度竖直、倾斜15°和水平跌落的最大冲击应力值分别为147、517和277 MPa，均因冲击应力过大，瓶体强度不够而破碎。在有6 mm厚、BC型5层瓦楞纸箱防护缓冲下，瓶体从1.0、0.5 m高度跌落时的最大冲击应力分别为5.0和3.4 MPa，说明包装材料对酒瓶起到较好的防护作用。最大应力位置分别位于瓶底边缘圆周和瓶肩弧形凸起部位，因此在酒瓶搬运和输送时注意保护瓶底边缘和弧形凸起部位。