塑料容器与金属盖的过盈密封结构设计及有限元分析

陶鑫，何邦贵，刘旺清，陈稳书，邹春波

塑料容器与金属盖的过盈密封结构设计及有限元分析

陶鑫1，何邦贵1，刘旺清2，陈稳书2，邹春波2

（1.昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650000；2.云南唯佳塑业有限公司，昆明 650000）

为研究包装容器的过盈密封性能，设计一种塑料容器与金属盖的过盈密封结构，研究其过盈量与材料属性（弹性模量、泊松比和摩擦因数）对容器密封性能的影响。制定包装容器的结构设计方案，使用UG软件对塑料容器与金属密封盖的过盈联接结构进行三维建模。将接触部位过盈联接的力学模型模拟为圆筒的过盈配合模型问题，并进行理论计算，利用Ansys软件进行仿真验证。最后使用Ansys Workbench创建金属密封盖工作状态下的三维轴对称有限元分析模型，并对不同过盈量与材料属性下的接触应力进行比较。金属密封盖与瓶口的接触应力随安装过盈量的增大而逐渐增大，且接触压力值与安装过盈量之间近似呈线性关系。弹性模量的改变对接触应力的影响较不明显，同时最大接触应力的变化趋势随弹性模量的变化而平稳增长。泊松比与摩擦因数对过盈联接的接触应力影响较小，接触应力数值随其参数的改变而发生波动。在不超过材料屈服强度的条件下，应选用尽可能大的过盈量，同时可以适量增大弹性模量，以增强塑料容器与金属盖之间过盈联接的密封性能。

金属密封盖；过盈联接；安装过盈量；材料属性；密封性能；有限元分析

塑料包装已成为我国容器包装产业中的主力军，其良好的耐冲击性与耐磨性适用于各类包装产品；其制作成本较低，能为产品提供良好的经济效益。同时，金属作为包装材料，其力学性能、加工性能与产品的保护性能都非常优秀。金属材料的资源丰富，其作为包装容器组件的能耗与成本也比较低，加工工艺较为成熟，能重复回收并利用，是理想的绿色包装材料，因此金属包装材料的使用逐渐广泛，在包装生产产业中占有重要的地位[1]。金属作为包装材料，其阻隔性能优良，机械强度较高，塑性变形能力优秀，防潮、耐光、耐热与耐寒等性能均优于纸等常见的包装材料，可有效地保护其内装产品[2-3]，因此适合作为包装密封组件来进行物品的保质。在容器的密封包装中，密封结构发生损坏将导致容器内环境的改变，这是其造成内装产品变质、破坏与丧失使用功能的主要原因[4]。对塑料容器与金属盖的过盈密封结构设计与性能研究，既能增加产品的保质周期、保持其稳定的功能与特性，也能降低产品的生产成本，其分析成果具有较好的现实意义。

目前，对于塑料容器与金属盖过盈密封性能的研究较少，但对于各类材质的弹性金属密封件之间的过盈密封研究却相对成熟。刘维滨等[5]利用Abaqus软件对金属锥形密封进行了模拟分析，分析了其工作状态下，介质压力对金属密封圈的Von Mises应力与密封面接触压力的影响。何东升等[6]对V型金属密封环在压差工作环境下的密封性能进行了研究，并将V型环的力学模型分解为圆筒过盈配合与悬臂梁力学模型进行了理论计算。彭粲粲[7]使用有限元方法分析了结构参数对K型金属密封性能的影响与规律，并对金属密封圈密封性能的实际工况要求做出了判定。张毅等[8]利用有限元方法对单金属密封受压情况下的接触压力进行了分析并利用正交试验法对单金属密封结构参数进行了优化，得到了密封结构参数对密封面接触压力的影响情况。侯超等[9]对环形金属密封的密封机制和工作原理进行了分析，结合有限元分析结果，从密封环变形情况分析了环形金属的密封性能。

结合上述成果与国外相关研究情况可知，使用有限元方法对金属密封件的密封性能进行分析是一种较为成熟且有效的研究手段[10-14]，因此其同样适用于塑料瓶身与金属盖过盈联接之间的密封研究。在目前方法基础上，要对包装容器过盈联接工作状态下的密封性能进行分析，最简单且直观有效的方法就是使用有限元软件进行分析计算。

1 塑料容器与金属盖的过盈联接结构设计

包装容器应用中的密封多为弹性和非弹性密封形式结合的组合密封，其中密封件与容器瓶口之间的密封是整个包装保质过程的关键。使用金属密封技术将适当金属材料代替传统弹性体使其充分与瓶口壁进行接触，利用接触面的过盈挤压变形对包装容器进行密封，是密封技术的一项重要方法[15]。

1.1 密封容器的三维建模

为保证所涉及的密封结构在产品保质过程中能正常工作，现设计图1所示的包装密封容器结构。其瓶身外直径为74.5 mm，瓶口外直径为71 mm，瓶盖外直径为75.5 mm，总高度为116 mm。此包装容器结构包括3个部分：容器瓶身结构、内嵌金属密封盖结构、瓶盖结构。其中金属密封盖内嵌于瓶口，通过过盈联接与瓶口进行配合，从而达到产品的密封要求。瓶盖内壁与瓶口外壁配合，包裹整个瓶口，为包装容器和其过盈联接施加保护。

图1 密封容器三维模型

1.2 过盈联接结构设计

针对包装密封的复杂工况，为研究金属密封盖与塑料瓶口的过盈联接性能，同时提高产品密封的可靠程度，降低包装容器的装配复杂性，现对容器的过盈联接结构进行设计，见图2。其金属密封盖外壁包含一内凹面与外凸斜面，上述结构通过过盈配合分别紧贴于瓶口内壁凸面和内壁凸面，从而实现容器的密封作用。文中主要对金属密封盖与瓶口配合结构上的密封面接触情况进行分析，在忽略圆度与圆柱度误差的前提下得到不同参数状态下密封性能的变化规律，为包装保质应用中的密封容器设计提供了一定的参考数据。

图2 过盈联接密封结构截面

2 理论计算与验证分析

2.1 圆筒过盈配合模型理论计算

塑料容器与金属盖过盈密封研究的主要是研究其接触面弹塑性变形所产生的应力问题。从图2中可以观察得出，包装容器的密封是由所述金属盖外壁紧贴瓶口内壁，使得密封接触面之间形成过盈配合。由工作状态下接触面的径向截面分析可知，接触面两位置之间的过盈配合近似于圆筒的过盈配合模型。综上所述，对塑料容器与金属盖过盈联接结构进行理论分析，可将密封状态下接触面的理论力学模型问题模拟为两圆筒之间的过盈配合模型问题，再在此基础上进行基本理论计算。

所述容器密封结构在工作状态下其瓶口的内半径会略小于接触面位置上金属密封盖外壁的外半径，两者之间的差值为过盈量。进行配合时，密封接触面上必然会产生相互作用的配合压力，从而形成紧固的密封静配合。

对金属密封盖来说，配合压力等于外压力b，且其无内压。通过式（1）可计算金属密封盖外半径的缩短量为：

(1)

对瓶口来说，其配合压力等于内压力a，且其无外压力，于是在式（1）中，令，并将改为，改为，可求得瓶口内半径伸长量为：

(2)

(3)

将式（1）与式（2）代入式（3）内，经过整理后可得：

(4)

将金属密封盖与瓶口的过盈配合模型模拟为圆筒模型结构，见图3。外筒外径为71 mm，内径为65.9 mm，材料为PET塑料，=2.5 GPa，泊松比为0.3，密度为1380 kg/m3；内筒外径为66 mm，内径为64 mm，材料为铝，=70 GPa，泊松比为0.34，密度为2700 kg/m3，过盈量为0.05 mm。瓶口的内壁与金属盖外壁均受到配合压力的作用，通过式（5）可计算其过盈配合所产生的应力值[16]。

图3 圆筒过盈配合模型

(5)

综上，圆筒过盈配合的半径变化量与应力计算公式，可以得到式（6）理论计算的结果。

(6)

2.2 轴对称模型与结果验证

通过UG软件对包装容器的密封结构进行绘制，可以得到金属密封盖与瓶口过盈配合的三维轴对称组合模型，见图4。

图4 密封结构的三维轴对称模型

金属密封盖的材料设置为铝，瓶口材料为PET。在Ansys Workbench软件中的材料设置见图5和图6。

同时使用Ansys workbench软件对上述模型进行结果分析验证，可与计算结果进行直观对比，见图7和表1。

对比表1所示数据，其仿真结果与公式计算结果之间误差较小，验证了过盈密封模型计算公式的正确性与此轴对称结构的适用性。该计算公式也为类似的塑料瓶口与金属盖过盈联接应力提供了一个初步的数值，能较大地减小设计工作量与计算时间。

3 过盈密封结构的有限元分析

3.1 过盈密封性能判定条件

目前，对金属密封件密封性能的判定方法主要是分析密封盖接触面上的接触应力是否大于其工作状态下的介质压力。塑料容器与金属盖进行过盈配合，若要实现密封，其接触应力应大于其密封状态下瓶口的压力值，因此就需要对各参数下的接触应力情况进行分析。同时，由于材料的屈服强度限制（铝的屈服强度为80～100 MPa，PET屈服强度为55～75 MPa），为保证容器密封的有效性，其接触应力应小于其屈服强度数值。

图5 金属密封盖的材料参数设置

图6 瓶体的材料参数设置

图7 分析结果验证

表1 公式计算与仿真结果对比

Tab.1 Comparison of formula calculation and simulation results

3.2 三维轴对称模型的网格划分

为保证金属密封盖与塑料瓶口过盈配合状态下参数数据的可靠性，需要对过盈接触面的网格精度进行精细划分。由于网格越精细其应力结果的精度越高，为直观显示过盈配合接触应力的大小与分布情况，采用局部网格控制将配合接触面的网格精度设置为0.3 mm，同时为了减少整体计算的繁琐性将非接触面的网格大小划分1 mm。通过Ansys Workbench对模型进行网格划分，其接触面网格模型见图8。

图8 过盈接触面的局部网格划分

3.3 安装过盈量对容器密封性能的影响

过盈量是指在密封工作状态下，金属密封盖外半径与瓶口内半径之间的差值。分析其安装过盈量对容器密封性能的影响时，应当保持单一变量原则。对不同安装过盈量下的接触应力值进行分析，选择0.05～0.3 mm的过盈量进行结果对照，为直观且清楚的观察接触压力的分布情况，将密封盖接触区域放大。过盈量为0.05 mm和0.3 mm时接触应力分布情况见图9。从图9中可以看出，安装过盈量为0.3 mm时，其最大接触压力与接触宽度均比过盈量为0.05 mm时更大，且最大接触压力出现在金属外壁斜面与瓶口内壁凹面的接触位置。

对不同过盈量所产生的接触应力进行观察，并使用表格记录接触应力的最大值，观察过盈量对密封性能的影响情况，见表2。从表2可看出，金属密封盖与瓶口的接触应力随安装过盈量的增大而逐渐增大。

对表2中数据进行线图绘制，金属盖和瓶口的接触应力值与安装过盈量之间近似呈线性关系，见图10。当过盈量超过0.15 mm时，其接触应力数值已超出瓶口材料的屈服强度值，因此在不超出屈服强度的前提下可选用数值较大的安装过盈量。

图9 不同过盈量下的接触应力分布

表2 不同过盈量所产生的最大接触应力

Tab.2 Maximum contact stress generated by different interference amount

图10 安装过盈量对接触压力的影响

3.4 材料属性对容器密封性能的影响

3.4.1 弹性模量对容器密封性能的影响

弹性模量是密封材料的重要参数，其数值表示了密封材料在受外力作用下所产生单位弹性变形时需要的应力值。弹性模量数值越大会导致密封材料的刚度越大，反之则材料的刚度越小。若弹性模量的数值选择过大，则会使密封联接之间的刚性过大，在容器使用时会承受更大的应力，同时也会降低密封材料的使用寿命；若其数值选择过小，则会使得密封材料刚度过小，无法传递工作时所需要的载荷[17]，因此对弹性模量的分析在过盈联接研究中显得至关重要。对弹性模量为66～76 GPa的金属密封盖接触应力进行分析，得到了直观的接触应力数值与图形结果见图11。

从图11结果可知，弹性模量的改变对塑料瓶口与金属盖之间的接触应力分布和大小影响较不明显，需要进一步的对66～76 GPa的接触应力数值进行图表分析。对各弹性模量下的接触应力数值进行记录与图形绘制，见表3和图12。弹性模量的增加会使密封接触面上的最大接触应力值增加，且弹性模量的变化对最大接触应力的影响较为平稳。

3.4.2 泊松比对容器密封性能的影响

泊松比是关于密封材料横向变形的重要参数，其大小为密封材料横向应变数值与其纵向应变数值之间比值的负数，且在弹性范围之内，数值一般为常 数[17]。文中在其他参数不变的情况下，对泊松比为0.3～0.42的过盈联接接触应力进行分析，在泊松比为0.3和0.42条件下的接触应力分布情况见图13。

表3 不同弹性模量下所产生的最大接触应力

Tab.3 Maximum contact stress under different elastic modulus

图12 弹性模量对接触压力的影响

图13 不同泊松比下的接触应力分布

由图13可知，泊松比数值变化对接触压力分布的影响不明显，且接触应力数值差距较小；对泊松比为0.3～0.42的接触应力数值做出记录并绘制表格，得到表4所示的数据值。使用二维图像对表格数据进行直观分析，见图14。随着泊松比的增加，其密封接触面的接触应力处于上下波动情况，虽然在泊松比为0.4时，接触应力达到峰值，但在泊松比为0.42时，接触应力数值又开始回落，其对过盈联接的影响较弱，因此泊松比不是影响密封性能的主要因素。

表4 不同泊松比下所产生的最大接触应力

Tab.4 Maximum contact stress under different Poisson’s ratios

图14 泊松比对接触压力的影响

3.4.3 摩擦因数对容器密封性能的影响

摩擦因数是影响塑料容器与金属盖之间过盈联接轴向力传递的重要因素，若选择的摩擦因数偏大，则密封组件所承载的轴向力会偏小，密封工作状态下容易产生滑动；若其偏小，则容器装配的难度增加，会使得包装容器非接触面上产生应力集中[17]，因此需要对摩擦因数的影响进行分析。选用合适且准确的摩擦因数，保证容器过盈联接的可靠性。摩擦因数为0.05和0.25条件下的接触应力分布与数值情况见图15。

图15 不同摩擦因数下的接触应力分布

图15显示的接触应力分布与其数值变化随摩擦因数的增大而发生轻微的变化，需要再对其进一步分析。对摩擦因数为0.05～0.25的最大接触应力做出表格，见表5。根据表5中的数据绘制出二维图形，见图16。接触应力大小随摩擦因数的变化而来回波动，且接触应力的数值变化较为微弱，故在此包装容器的过盈密封联接中，摩擦因数亦不是主要影响因素。

表5 不同摩擦因数下所产生的最大接触应力

Tab.5 Maximum contact stress under different friction coefficients

图16 摩擦因数对接触压力的影响

4 结语

为探究塑料容器与金属盖过盈联接的密封性能，文中对所设计的密封结构进行了不同过盈量与材料属性下的有限元分析。结果表明：安装过盈量为此容器结构密封性能的主要影响因素，接触应力随弹性模量的增大而缓慢增加，而泊松比和摩擦因数对其过盈密封性能的影响较小。此外，接触应力值与安装过盈量之间近似呈线性关系，且最大接触压力出现在金属外壁斜面与瓶口内壁凹面的接触位置；弹性模量对密封性能影响较为平稳，因此，对于此包装密封结构与相似结构，在不超过材料屈服强度的条件下，应选用尽可能大的过盈量，同时可以适量增大弹性模量，以增强塑料容器与金属盖过盈配合下的密封性能。对比文中的分析结果，为获得良好的密封性能，此塑料容器与金属盖的过盈量应选择0.15 mm，弹性模量、泊松比和摩擦因数应分别选择76 GPa、0.4和0.05。

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Design and Finite Element Analysis of Interference Sealing Structure of Plastic Container and Metal Cover

TAO Xin1, HE Bang-gui1, LIU Wang-qing2, CHEN Wen-shu2, ZOU Chun-bo2

(1.Mechanical and Electrical Engineering College, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, China; 2.Yunnan Weijia Plastic Industry Co., Ltd., Kunming 650000, China)

The work aims to design an interference sealing structure of plastic container and metal cover to study the sealing performance of packaging container and analyze the effects of interference amount and material properties (elastic modulus, Poisson’s ratio and friction coefficient) on the sealing performance of container. The structure design scheme of the packaging container was prepared and the interference connection between the plastic container and the metal sealing cover was modeled by UG software. The mechanical model of the interference connection of the contact part was simulated as a cylinder interference fit model and then theoretical analysis was carried out and Ansys was used to verify the simulation. Finally, Ansys Workbench was used to create a three-dimensional axisymmetric finite element analysis model under the working state of the metal sealing cover, and the contact stress under different interference and material properties was compared. The contact stress between the metal sealing cover and the bottle mouth increased with the increase of the mounting interference, and the relationship between the contact pressure and the mounting interference was approximately linear. The effect of elastic modulus on contact stress was not obvious, and the variation trend of maximum contact stress increased steadily with the change of elastic modulus. Poisson’s ratio and friction coefficient had little effect on the contact stress of interference connection. The value of contact stress fluctuated with the change of parameters. Therefore, under the condition of that the yield strength of the material is not beyond the specified value, the interference should be selected as large as possible, and the elastic modulus can be increased appropriately to enhance the sealing performance of the interference connection between the plastic container and the metal cover.

metal sealing cover; interference connection; mounting interference; material properties; sealing performance; finite element analysis

TB484

A

1001-3563(2022)05-0196-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.05.027

2021-07-07

云南省科技计划（2019DC005）；云南九九彩印有限公司合作项目（649320200029）

陶鑫（1996—），男，昆明理工大学硕士生，主攻密封结构设计与制造。

何邦贵（1963—），男，博士，昆明理工大学教授，主要研究方向为机械创新设计与制造、包装印刷新材料等。