计算机辅助技术在塑料包装设计中的应用

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。

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。

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。

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。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。

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。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。

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。

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44.0～54.0mm，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。

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。