计算机辅助技术在塑料包装设计中的应用

章小丹，牛兴霞

（唐山工业职业技术学院，河北省唐山市 063020）

计算机辅助技术在塑料包装设计中的应用

章小丹，牛兴霞

（唐山工业职业技术学院，河北省唐山市 063020）

综述了塑料包装的最常见的包装形式以及计算机辅助设计（CAD）在塑料包装设计中的应用。在设计的同时，使用计算机辅助工程（CAE）进行模拟和优化。采用CAD与CAE模拟仿真交替进行，不断重复，直至确定最佳的塑料包装设计方案。根据绘图环境的不同分为二维CAD和三维CAD。其中，二维CAD主要进行二维图形的设计，三维CAD主要进行三维实体造型设计。通常先利用三维CAD软件进行三维造型设计，再运用其工程制图模块导出二维工程图。然后，运用CAE进行静应力、密封试验等分析，进而优化包装容器的设计。采用CAD和CAE对塑料包装材料和系统进行设计和仿真模拟，不仅可以使设计更加合理，而且可以有效降低开发成本和开发周期，提高生产效率。

计算机辅助设计 计算机辅助工程 塑料 包装

塑料包装是最常见的包装形式，具有防潮隔湿，寿命长，可塑性好等优点，广泛应用于食品药品、电子机械产品和日用商品等包装。塑料包装有软包装和硬包装之分。一般将薄膜厚度在0.25 mm以下的片状塑料包装定义为软包装。硬包装以容器形式居多。为满足塑料包装结构设计既符合产品的功能需求、美学要求、人机工程学要求，又符合塑料结构件的成型工艺要求，需要借助计算机辅助手段进行设计。在设计的同时，使用计算机辅助工程（CAE）进行模拟和优化。塑料包装设计是计算机辅助设计（CAD）与CAE模拟仿真交替进行，不断重复，直至确定最佳设计方案［1-2］。

广泛应用于现代包装设计的CAD技术，已经可以实现对包装材料缓冲设计，并将设计方案绘制进行三维展示，以及最后的打样。根据绘图环境的不同分为二维CAD和三维CAD。其中，二维CAD主要进行二维图形的设计，三维CAD主要进行三维实体造型设计。包装设计中常用的二维CAD软件是AutoCAD软件。1982年，美国Autodesk公司首次推出了AutoCAD软件。AutoCAD软件具有开放的体系结构，允许用户进行修改扩充，已经在实际应用领域，开发出基于AutoCAD的实际应用软件。常用的三维CAD软件有Pro/E，SolidWorks等。通常先利用三维CAD软件进行三维造型设计，再运用其工程制图模块导出二维工程图，然后将其导入专用的二维CAD软件中进行修改、尺寸标注等二维设计，生成最终的二维图纸。常用对塑料包装模具进行有限元分析的软件是美国Ansys公司开发的Ansys软件。Ansys软件可以进行结构应力分析、成型过程的流体分析以及热分析等［3-4］。

1 AutoCAD软件应用于管式折叠硬质塑料包装盒的外形设计

对于包装行业，CAD软件功能包括盒型库、绘图功能、自动标注尺寸、模拟折盒、自动拼版等。在管式折叠硬质塑料包装盒的设计程序中，盒体采用二维作图，将平面划为X轴和Y轴，绘图设计以坐标轴为准，将盒体不同点之间的线性关系用函数表示。使用AutoCAD软件自动筛选，得到盒体成型所需的预折线和作业线。盒底设计时使用AutoCAD软件中包含的绘图命令，根据尺寸参数画出剪裁线的长度和宽度。盒盖是独立结构，起密封作用。盒盖的结构有密封式、抽插式和黏合式。在编程时可采用盒底镜像编程，盒盖多余结构根据尺寸参数另行编程。然后运行绘图指令直至运行成功。使用AutoCAD软件中的接口输出设计图样。将以上设计出的管式折叠硬质塑料包装系统安装在Windows XP系统中，程序设计完成后可以进行仿真试验。使用AutoCAD软件对管式折叠塑料包装进行设计，可以提高设计效率，减少生产成本［5-6］。

2 基于Pro/E软件的塑料饮料瓶设计

Pro/E软件由美国参数化技术公司开发，具有参数化设计、模块化、给予特征建模、单一数据库等特点。首先用Pro/E软件勾勒出饮料瓶轮廓图形，再对瓶体进行回转截面设计，确立关键参数进行控制后执行旋转命令，得到瓶体基体三维模型。由于瓶体拐角尖锐，制作过程中会出现裂痕，且不安全，采用Pro/E软件中倒圆角命令，对尖锐拐角光滑处理。此时，瓶体的基本功能可以满足。功能设计完成后还要满足特征设计。为体现瓶内饮料的特性，需要在瓶体上设置特殊图形。在瓶体轴剖面中设图案二维造型，再利用投影命令将图案的轮廓投影到瓶体，轮廓随瓶体变化呈现出三维曲线，借助曲面混合特征，设计出图案的三维结构。为使瓶体保持最初的形状，防止运输过程中发生形变损坏，需要一定的结构强度，因此，在瓶底设计星型突状结构。采用扫描剪切命令，在瓶轴剖面创建扫描轨迹线，截面设计为圆形，截面沿轨迹线运动，在瓶体底部创建内凹圆弧槽，完成星型加强设计。实体特征设计完成后，需要对瓶体薄壳化处理。先进行抽壳处理使得瓶体壁厚均匀，对瓶体进行等厚偏移即可制出所需厚度的瓶体。对于瓶口的设计，由于瓶口是螺纹结构，可以利用Pro/E软件螺旋扫描功能。确定扫描轨迹、螺距及螺纹截面形状［7］。由此，使用Pro/E软件参数化建模，确定特征命令并输入参数，即可方便地设计出饮料包装瓶。效果图能在PDF文件查看，并且可以进行旋转和平移等操作来优化设计流程，很方便地开发出系列化产品，减少打样环节，缩短开发周期。

3 SolidWorks软件应用于塑料包装瓶的造型设计及有限元分析

3.1 塑料包装瓶的造型设计

SolidWorks软件是法国达索系统公司旗下的子公司SolidWorks公司开发的三维CAD软件，具有零件建模、曲面建模、钣金设计等模块。运用SolidWorks软件可以方便地对塑料包装瓶进行三维造型和有限元分析。

首先对塑料包装瓶的结构参数化，建立特征模型。SolidWorks软件中零件的参数化设计可通过内嵌的图表文件Excel中指定参数来创建，也可以通过程序的二次开发实现参数化设计。中空塑料瓶几何形状相似，大小尺寸不同，输入参数得到不同尺寸的中空塑料瓶结构， 使结构设计可以重复。系统会在编辑好的驱动函数调用下，根据对话框中的参数， 进行自动建模和尺寸控制，并运行宏录制命令，录制整个建模过程。

对保存的宏文件进行整理，保留变量声明、程序入口、程序运行、基准面选择、图形插入以及特征创建等代码，进行录制整理调试，调用Solidworks软件中的应用程序接口（API）函数完善工程图纸中的信息。建模后，为满足生产中的不同需求，需要对材质进行质量特性分析。可以使用模型特征树进行材料选择，也可加载SolidWorks软件中的PhotoWorks插件选择材质。调节环境参数渲染得到很好的展示效果［8］。

SolidWorks软件可以自动生成所需的包装容器的三维实体模型，简化了容器结构设计和图形绘制，提高了设计效率。

3.2 有限元分析

使用SolidWorks软件自带的Simulation插件进行有限元分析，可以自动生成网格，进行跌落试验、静应力、密封试验等分析［9］。碳酸饮料包装瓶内部有灌装压力，需要进行耐内压强度模拟测试。点击软件中的Simulation插件，选取所应用的聚对苯二甲酸乙二酯（PET）材质，包装瓶就会被赋予相应材料的特性。设定内边线固定的瓶体截面，设定所需压强。采用系统自动加密网格化参数生成网格，运行测试。例如：苗洪涛等[10］通过使用Simulation插件对碳酸饮料瓶进行有限元分析，确定了瓶底增加的厚度，并对设计内凹瓶底进行结构优化。将包装瓶底部厚度由2 mm改为4 mm，并作凹陷处理的优化方案［11-12］。

通过使用SolidWorks软件的中空塑料包装容器耐内压强度的有限元分析，可以对塑料碳酸饮料瓶、中空塑料包装容器结构、包装容器所使用材料的合理性以及容器耐压载荷进行测试，提高生产效率［10］。

4 基于Ansys软件的软塑包装热封强度分析

应用于牙膏等的软管包装，热封强度对软塑包装材料是重要的性能指标。夏晶晶等［13］使用Ansys软件中有限元分析方法对软塑管的热封温度、热封时间和热封压力进行分析。将三维模型导入Ansys Workbench软件进行分析。在进行静力学仿真分析过程中，分析了内部气压、管尾厚度、管尾长度、管身长度以及材料物理性质对热封口强度的影响。结果表明：材料密度不会导致热封失效，同时确定了管壁厚度为0.4～0.5 mm、管身长度为65.0～70.0 mm，管尾长度为44.0～54.0 mm，满足软塑包装热封强度的要求。

5 应用于生鲜农产品气调包装CAD系统

曹菲［14］使用CAD对果蔬的气调包装进行研究，建立数学模型，在果蔬产品呼吸速度模型和塑料薄膜透气性数据库的基础上，开发出果蔬气调包装CAD系统。

常见的生鲜产品采用薄膜包装。根据食品种类、保藏要求及包装材料进行恰当选择，为确保包装食品保险质量高、营养成分好，可以采用真空包装或气调包装。例如：选用阻隔性能和机械性能良好的聚碳酸亚丙基酯（PPC）/聚乙烯醇（PVA）/PPC复合膜，对冷鲜肉进行真空包装并贮藏在4 ℃环境下，冷鲜肉的货架期可延长至19天，也可以对冷鲜肉进行充气包装（O2的体积分数为50%，CO2的体积分数为25%，N2的体积分数为25%），由PPC/PVA/PPC复合膜和聚酰胺（PA）/聚乙烯膜包装的冷鲜肉货架期均可达到23天。将非可降解材料PA和低密度聚乙烯（LDPE）制备成LDPE/PA/LDPE复合膜用于新鲜鲈鱼的气调包装（O2的体积分数为10%，CO2的体积分数为60%，N2的体积分数为30%），货架期可延长至17天。用PET/乙烯-乙烯醇（EVOH）/LDPE复合膜对切碎的牛肉进行气调包装（O2的体积分数为50%，CO2的体积分数为30%，N2的体积分数为20%），货架期可延长到40天［15-16］。

果蔬气调包装CAD系统确定了在一定温度条件下，适合于气调包装的薄膜材料以及薄膜的面积，薄膜的厚度，气体平衡时间和构成等。使用者通过CAD软件流程操作可以快速进行常见果蔬产品的气调包装设计。例如：对产于天津市郊的新鲜尖叶菠菜进行包装，包装质量为0.23 kg。通过果蔬气调包装CAD系统选取了适合的包装形式。包装薄膜为聚丙烯薄膜，其厚度为32 μm，气调的O2透气系数为1 452 mL·μm/[m2·h·（0.1 MPa)］，CO2透气系数为4 098 mL·μm/[m2·h·（0.1 MPa)］，薄膜尺寸为35 cm×30 cm，薄膜表面积为0.21 m2[14］。

6 结语

采用CAD和CAE对塑料包装材料和系统进行设计和仿真模拟，确定最佳的塑料包装的设计方案，不仅可以使设计更加合理，而且可以有效地降低开发成本和开发周期，提高生产效率。

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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，硕士，讲师，2007年毕业于武汉理工大学计算机应用技术专业，现主要从事计算机网络技术研究及塑料包装设计工作。E-mail：75922854@qq.com。