ANSYS軟件在紙漿模塑包裝制品力學分析中的應用

唐 杰，肖生苓，王全亮，陸新宗，李 燦

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

ANSYS軟件在紙漿模塑包裝制品力學分析中的應用

唐 杰，肖生苓，王全亮，陸新宗，李 燦

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

結合紙漿模塑包裝制品的特點，綜述有限元ANSYS軟件在紙漿模塑包裝制品靜態(tài)分析與動態(tài)分析兩大方面中的應用。在靜態(tài)方面，對有限元ANSYS軟件在紙漿模塑包裝制品（不同結構類型、不同成型參數(shù)以及不同成型工藝）力學分析方面的應用進行了闡述；在動態(tài)方面，詳細介紹了瞬態(tài)動力學分析與隨機振動分析在紙漿模塑包裝制品力學方面的應用。最后對ANSYS軟件在紙漿模塑包裝制品分析中的不足做出改進，指出在保證紙漿模塑制品模型尺寸、形狀、剛度等不發(fā)生明顯變化的情況下，通過簡化模型，降低計算工作量；在UG中實現(xiàn)實體模型的建立、有限元模型的生成和材料屬性的設置等相關操作，并將生成的解算文件導入ANSYS中進行解算分析，以解決ANSYS中有限元模型生成困難的問題，以及需要對ANSYS軟件建模功能進一步優(yōu)化處理，使其運算結果更加精確、合理，為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期與降低成本奠定理論與實踐基礎。

ANSYS軟件；紙漿模塑包裝制品；力學分析；靜態(tài)分析；動態(tài)分析

1 引言

紙漿模塑包裝制品是用于包容和限制被包裝物的固體容器，是近幾年發(fā)展迅猛的新型包裝材料，是實木包裝材料和EPS泡沫塑料的優(yōu)良替代品。紙漿模塑包裝制品具有質(zhì)輕、緩沖、原料來源廣泛、可回收再利用等優(yōu)點。然而，紙漿模塑包裝制品的緩沖機理與傳統(tǒng)的緩沖材料存在較大差異，人們對于其緩沖特性的了解尚不夠深入，這些原因導致了紙漿模塑制品的緩沖包裝設計缺乏必要的實驗數(shù)據(jù)和理論指導，制備工藝和模具等都要在生產(chǎn)實踐中經(jīng)過若干次的摸索、調(diào)整，才能滿足被包裝物對模塑制品質(zhì)量和性能的要求。設計周期長，成本高，甚至可能對環(huán)境以及科研人員的安全造成危害，嚴重制約了紙漿模塑行業(yè)的發(fā)展[1-3]。近年來，隨著數(shù)值計算技術的提升與塑性成形理論的發(fā)展，使得生產(chǎn)前對成形過程進行數(shù)值仿真模擬成為可能，達到了降低產(chǎn)品成本與縮短研發(fā)周期的目的[4]。有限元ANSYS分析軟件是融合結構、熱、聲場、流體以及電磁場分析于一體的大型通用軟件，由美國ANSYS軟件公司開發(fā)。經(jīng)過40多年的發(fā)展，ANSYS軟件已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，由早期只提供熱分析及線性結構分析功能，到如今其分析功能已覆蓋了自然界四大場：應變場、溫度場、流場和電磁場，應用領域涵蓋工程材料、橋梁和電子產(chǎn)品等行業(yè)。ANSYS軟件能與多個CAD軟件進行對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，如Pro/Engineer、AutoCAD和UG等，同時它也具有功能強大的解算功能，是目前國際上最流行的有限元分析軟件之一[5]。

2 ANSYS軟件在紙漿模塑包裝產(chǎn)品靜態(tài)分析中的應用

靜力分析是用來計算結構在穩(wěn)態(tài)載荷作用下引起的位移、應變、應力和力，不考慮慣性和阻尼效應的影響，但可以包含穩(wěn)定的慣性力，以及能夠將隨時間變化的載荷等效為靜態(tài)載荷。靜力分析又可分為線性靜力分析和非線性靜力分析[6]。其中非線性靜力分析包含所有類型的非線性特征，如材料非線性、蠕變、塑性、接觸單元和大變形等。紙漿模塑包裝材料屬于彈粘塑性材料，當前針對紙漿模塑包裝制品，運用ANSYS軟件對其進行靜態(tài)力學分析，主要有以下幾個方面：

2.1 ANSYS軟件在不同結構類型模塑包裝制品靜態(tài)力學分析中的應用

紙漿模塑包裝制品的緩沖性能通常是通過各個結構的變形和破壞來表征的，其主要作用在于，延長激勵力作用時間以降低物品的最大作用力以及通過自身的變形最大限度地消耗或儲備外界傳入的能量[7]。盡管紙漿模塑制品的結構形式多樣，但歸結為單元結構，通常只有圓臺狀、四棱臺狀、肋狀和椅狀四種結構。張業(yè)鵬[8]利用有限元分析軟件ANSYS對紙漿模塑桶型、立方體型和臺階型這三種典型單元結構進行靜態(tài)壓縮仿真分析，得到不同尺寸下的載荷-應變曲線，分析了紙漿模塑典型單元結構的受力變形情況，當紙漿模塑典型單元結構的彈性載荷小于最大載荷的80%時，緩沖單元結構將發(fā)生彈性變形，得出此時結構具有較好彈性的結論。Gurav S.P.等[9]對紙漿模塑材料進行拉伸和壓縮測試，得到了紙漿模塑材料的應力-應變曲線，并通過試驗獲得了紙漿模塑制品的肋狀結構單元的緩沖性能，運用有限元方法分析，得到了制品的厚度和厚度分布，緩沖單元結構和緩沖單元間距對制品力學性能的影響。田羽[10]針對紙漿模塑包裝制品塔狀結構，運用ANSYS軟件對其進行靜態(tài)壓縮分析，獲得載荷-時間曲線，得出結構在承受載荷過程中起到重要的作用。

2.2 ANSYS軟件在不同成型參數(shù)模塑包裝制品靜態(tài)力學分析中的應用

不同的成型參數(shù)，如幾何斜度、緩沖高度、紙漿模塑制品厚度和接觸邊長等，對紙漿模塑包裝制品性能產(chǎn)生不同的影響。張業(yè)鵬和王章蘋[11]等針對紙漿模塑制品結構與緩沖能力，采用ANSYS軟件對紙漿模塑制品幾何斜度、抗壓強度、接觸邊長、紙漿模塑制品厚度和緩沖高度等進行了有限元分析，并對各參數(shù)間的相互影響進行了優(yōu)化組合，指出材料厚度對紙漿模塑制品的緩沖能力影響很大。曹世普[12]等以實驗測定的紙漿模塑材料拉伸應力-應變曲線為基礎，對影響紙漿模塑制品緩沖能力的各個結構參數(shù)進行有限元分析，得出紙漿模塑制品各結構參數(shù)與緩沖能力之間的關系曲線，為紙漿模塑的力學研究提供相應的理論基礎。張新昌[13]等通過對五種不同單元參數(shù)的紙漿模塑圓臺狀結構進行分析仿真，得出單元厚度與單元半徑是影響單元結構承載能力的主要因素。在施加等量載荷的情況下，單元厚度越大、半徑越小，內(nèi)部應力就越小，結構就越穩(wěn)定。

2.3 ANSYS軟件在不同成型工藝模塑包裝制品靜態(tài)力學分析中的應用

除了以上兩種因素對紙漿模塑包裝制品緩沖性能存在影響外，紙漿模塑成型工藝對紙漿模塑包裝制品緩沖性能的影響也是不可忽略的。脫模角度、高度，熱壓整形壓力大小等因素的不同，影響著紙漿模塑包裝制品的性能。WANG Zhang-ping等[14]運用ANSYS分析軟件對不同脫模角度、高度和厚度的紙漿模塑桶裝置進行靜態(tài)壓縮模擬試驗，成功獲得了不同條件下，紙漿模塑桶裝置緩沖性能的相關參數(shù)。鐘毓寧[15]等通過ANSYS分析軟件對1-13°不同脫模角度的紙漿模塑肋狀單元結構進行靜力學分析，得出不同的脫模角度將對單元的抗壓強度產(chǎn)生不同的影響，并通過分析得到當脫模角度為4°時，模型的抗壓強度最大。

綜上所述，目前運用ANSYS軟件在模塑產(chǎn)品靜態(tài)力學性能上的研究較多，內(nèi)容也比較豐富，為紙漿模塑包裝制品相關理論的構建提供了基礎。

3 ANSYS軟件在紙漿模塑包裝制品動態(tài)分析中的應用

動態(tài)分析是產(chǎn)品分析中的一個十分重要的過程，它能反映產(chǎn)品在實際動態(tài)過程中所處的情況。對紙漿模塑包裝制品進行動態(tài)力學分析具有更重要的實際意義，為被包裝產(chǎn)品的防護與安全、紙漿模塑制品的開發(fā)利用提供相應的理論依據(jù)。

3.1 瞬態(tài)動力學分析

瞬態(tài)動力學分析也稱時間歷程分析，是確定承受任意隨時間變化載荷結構動力學響應的一種技術[6]。在產(chǎn)品搬運儲存過程中，大部分產(chǎn)品的損壞都來源于跌落碰撞，針對這類損壞所做的質(zhì)量試驗，往往需要耗費大量的時間和高額的成本，其中最常見的試驗是跌落沖擊試驗，這種方法可靠，但同時也存在很多不足之處，主要表現(xiàn)在：跌落沖擊試驗一般只能獲得試驗結果，很難觀察到產(chǎn)品發(fā)生破壞的原因；跌落沖擊試驗發(fā)生的歷程短，難以觀察到產(chǎn)品在試驗過程中的現(xiàn)象；跌落沖擊試驗測試的條件難以控制，使得試驗重復性較差；跌落沖擊試驗實施過程中需要耗費大量的人力、物力和財力，增加了產(chǎn)品研發(fā)成本；跌落沖擊試驗時對產(chǎn)品的內(nèi)部特征和現(xiàn)象難以觀察到。

在產(chǎn)品初期設計時，利用ANSYS/LS-DYNA軟件對試驗條件進行相關的模擬仿真，能有效解決以上問題。相較于傳統(tǒng)的試驗方法，采用ANSYS/LS-DYNA軟件進行虛擬仿真邊界條件方便控制，仿真具有可重復性；可直觀、動態(tài)地觀察整個跌落碰撞過程中各物理量的變化；可具體形象地觀察產(chǎn)品的內(nèi)、外部特征和現(xiàn)象；減少試驗次數(shù)和降低試驗成本；設計初期進行模擬可及早了解產(chǎn)品的特性，減少問題的發(fā)生[16]。

基于以上優(yōu)勢，目前ANSYS/LS-DYNA軟件在產(chǎn)品的研發(fā)過程中應用的很普遍，主要從結構、跌落高度和跌落方式三個方面進行分析研究。

3.1.1 ANSYS軟件在不同結構模塑包裝制品瞬態(tài)力學分析中的應用。不同結構對產(chǎn)品的防護能力不同，良好的結構不僅能保護好產(chǎn)品在物流過程中不受損傷還能減少材料的使用，降低生產(chǎn)成本。根據(jù)邊界破損理論，結構的破損主要受最大許用加速度Gm與沖擊脈沖時間T兩個因素的制約[17]。通過ANSYS/LS-DYNA軟件對模塑包裝產(chǎn)品進行實際運輸情況下跌落試驗模擬，分析跌落對結構的響應，可獲得緩沖模塑包裝制品跌落沖擊地面時的速度、等效應力分布和加速度峰值曲線，并結合跌落沖擊時緩沖襯墊材料對被包裝物的緩沖保護作用，為緩沖襯墊材料結構的設計提供可靠的依據(jù)，避免了破壞性試驗帶來不必要的損失，節(jié)約了成本[18-21]。

3.1.2 ANSYS軟件在不同跌落方式模塑包裝制品瞬態(tài)力學分析中的應用。在產(chǎn)品跌落時，不同的跌落方式造成產(chǎn)品與地面接觸的面積不同，如面、角、棱跌落，對產(chǎn)品造成的影響程度也是不同的。一般來說，同一件產(chǎn)品接觸面積越大，對產(chǎn)品的損害就越小[22-24]。宋曉琛[25]在跌落模擬仿真分析中，通過對白漿紙漿模塑制品面、棱和角進行跌落分析，得出白漿紙漿模塑襯墊在碰撞后各部分的破損程度，并與試驗結果相對比，驗證了仿真結果的真實性。

3.1.3 ANSYS軟件在不同跌落高度模塑包裝制品瞬態(tài)力學分析中的應用。跌落高度的不同對產(chǎn)品產(chǎn)生的破壞性也是不同的。同一件制品，一般來說跌落高度越高，產(chǎn)品在跌落過程中的應力、應變和加速度響應就越明顯，對制品的損害就越大。因此在對制品進行防護時，高度是一個不可缺少的因素。Geng Dong-wei,Xu Wen-cai[26]通過ANSYS/LS-DYNA軟件對紙漿模塑制品的跌落緩沖特性進行仿真分析，研究在2kg重錘作用下，處于不同跌落高度的紙漿模塑制品的最大加速度幅值，為其緩沖性能研究提供了相應的參數(shù)。

3.2 隨機振動分析

隨機振動是一門用概率與統(tǒng)計方法來研究受隨機激勵載荷作用的機械與結構系統(tǒng)的響應、穩(wěn)定性和可靠性的技術學科[27-29]。近年來在理論基礎、數(shù)值計算和載荷分析等方面得到了全方位的發(fā)展，在結構工程、工程材料和車輛工程等諸多領域得到了廣泛的應用，已成為現(xiàn)代應用力學的一個重要分支[6]。隨機振動理論的研究始于20世紀40年代，Rice在最初的研究工作中發(fā)揮了重要的作用。20世紀50年代初步形成這門學科，直到1958年美國麻省理工學院隨機振動暑期研討班成功舉辦及由Crandall主編的論文集的出版被認為是隨機振動作為一門學科誕生的標志[30-31]。相比傳統(tǒng)的振動試驗分析方法，隨機振動仿真分析能實現(xiàn)對某些尺寸、質(zhì)量比較大而且費用昂貴的產(chǎn)品進行隨機振動分析；可以具體形象地觀察產(chǎn)品的內(nèi)、外部特征和現(xiàn)象；在產(chǎn)品初期設計時，便能通過模擬仿真為設計提供可靠的依據(jù)，確保研發(fā)過程有條不紊的進行，節(jié)約周期和經(jīng)費[32]。ANSYS采用功率譜密度作為隨機振動分析的載荷輸入，其中功率譜密度分為位移功率密度、速度功率譜密度、加速度功率譜密度、力功率譜密度等形式。與響應譜分析的類型相同，隨機振動分析也分單點與多點兩種形式。

單點隨機振動分析是指在模型的一個點集定義相同的功率譜密度曲線。隨著紙漿模塑包裝制品結構的復雜化和多樣化，單點激勵振動試驗的弱點與不足越來越多地為人們所了解。多點隨機振動分析是指在模型的不同點集上定義不同的功率譜密度曲線，它能夠克服單點激勵存在的一些缺陷，如振動推力不足、振動應力分布不均和易造成局部過試驗等問題[33-38]，因此多點隨機振動分析在日常運用比較普遍。

隨機振動仿真分析方法是基于ANSYS平臺的隨機振動仿真功能，并通過疲勞損傷驗證理論計算分析設備的隨機振動情況,尋找出設計中的重要缺陷，對結構設計進行優(yōu)化，驗證其是否滿足設備相關振動要求[33，39]。長期的交變應力可能引起設備結構疲勞，使結構產(chǎn)生變形、裂紋甚至斷裂等。對各構件進行隨機振動分析，通過云圖，應力應變分布數(shù)據(jù)和最大位移點的位移、速度、加速度響應曲線，能直觀地查看各構件不同部位的隨機振動總體情況，以此確定結構中振動較強的薄弱部位[40-46]。目前對于模塑單元結構，張業(yè)鵬[8]運用隨機振動仿真對紙漿模塑臺階狀、桶狀、立方體形三種典型結構進行可靠性分析，獲得了各緩沖結構的可靠性強度值，為緩沖包裝的可靠性結構設計提供理論指導。在模塑產(chǎn)品整體方面，由于紙漿模塑材料性能的特殊性，整體結構方面的復雜性，目前運用ANSYS隨機振動在分析紙漿模塑制品整體力學性能方面尚不成熟，針對這方面的研究也是鳳毛麟角。實際上，紙漿模塑包裝制品在物流過程中主要承受整體的隨機振動，因此在這方面研究更具有實際意義。所以，未來可通過借鑒ANSYS在其他材料結構中的應用來分析模塑包裝制品的力學性能，獲取相應的參數(shù)，為模塑制品的開發(fā)縮短周期，降低成本。

通過對模塑產(chǎn)品動態(tài)力學性能分析中較為常見的瞬態(tài)動力學與隨機振動綜述分析，表明當前ANSYS在產(chǎn)品預處理方面發(fā)揮著越來越重要的作用，對產(chǎn)品的研發(fā)具有重要意義。

4 ANSYS軟件在紙漿模塑包裝制品分析中的不足與展望

近年來，隨著計算機技術的普及和計算能力的不斷提高，有限元分析在紙漿模塑產(chǎn)品設計和研發(fā)中得到了廣泛的應用，已經(jīng)成為解決復雜產(chǎn)品分析計算問題的有效途徑。但同時在運用過程中還存在著許多不足之處，有待進一步研究。

（1）在運用ANSYS/LS-DYNA軟件針對紙漿模塑包裝制品進行仿真模擬時，由于紙漿模塑包裝制品模型結構復雜，單元數(shù)目較多，運算起來不僅耗時而且對計算機的運行性能要求較高。因此，在模型導入ANSYS中之前，在保證簡化后的模型在尺寸、形狀、剛度方面不發(fā)生明顯變化的情況下，需要將模型中的細小結構，如小孔、溝槽、倒圓角等特征盡可能的簡化，以減少計算量。

（2）相對商業(yè)CAD軟件而言，ANSYS的實體建模功能較為薄弱。對規(guī)模龐大，結構復雜，尤其當紙漿模塑包裝制品模型中含有大量不規(guī)則曲線和曲面時，使用ANSYS軟件建立實體模型往往會非常復雜，此時需要對模型進行簡化與修改，加上復雜模型的網(wǎng)格劃分很難通過ANSYS中的布爾操作對其進行有效分割，從而使得有限元模型的生成比較困難[47-48]。因此，今后如有必要，可以先在UG中實現(xiàn)實體模型的建立、有限元模型的生成、設置材料屬性、劃分網(wǎng)格等相關操作，并將生成的INP文件導入ANSYS中進行解算分析，以克服上述問題。

（3）CAD軟件和ANSYS各自存在著自己的單位制，所以在加載時需注意紙漿模塑制品模型相應尺寸的變化，這給分析帶來了很大的麻煩，不利于快速操作[49]，再加上模型從CAD軟件導入ANSYS過程中可能造成數(shù)據(jù)的丟失。因此，今后對簡單模型盡可能運用ANSYS軟件建模的同時，仍需對軟件建模功能進行優(yōu)化處理，這樣才能使結果更加精確、合理。

5 結語

綠色包裝理念已成為全世界包裝行業(yè)的主旋律，越來越多對環(huán)境有污染的包裝材料正在逐漸淡出人們的生活。紙漿模塑包裝制品作為最典型的綠色包裝材料已成為業(yè)內(nèi)專家學者研究的熱點，開發(fā)低成本、高附加值、綠色環(huán)保、應用安全的各類型紙漿模塑包裝制品已成為迫切需要解決的問題。ANSYS作為大型通用有限元分析軟件，由于其功能齊全、結構開放交互、圖形功能強大、算法先進等特點，近年來在紙漿模塑包裝制品研發(fā)中得到了廣泛關注。ANSYS軟件能夠對紙漿模塑包裝制品在各種外荷載條件下的變形、穩(wěn)定性及各種動力特性做出全面分析，從力學計算、組合結構等方面提出較全面的解決方案，是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、解決復雜力學問題的有效手段，是揭示紙漿模塑材料成型機理的重要方法。

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Application of ANSYS in Mechanical Analysis of Molded Pulp Packaging Products

Tang Jie,Xiao Shengling,Wang Quanliang,Lu Xinzong,LiCan
(Northeast University of Forestry,Harbin 150040,China)

In this paper,in connection with the characteristics of the molded pulp packaging products,we introduced the application of the finite element ANSYS software in the static and dynamic analysis of the molded pulp packaging products.In terms of the static analysis, we introduced the application of the finite element ANSYS software in the mechanical analysis of the molded pulp packaging products while in terms of the dynamic analysis,we introduced in detail the application of the transient dynamic analysis and random vibration analysis in the mechanics of these products.At the end,we modified the shortcomings of the ANSYS software in the analysis of the molded pulp packaging products.

ANSYS software;molded pulp packaging product;mechanical analysis;static analysis;dynamic analysis

TB485

A

1005-152X(2016)11-0061-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.11.014

2016-09-27

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201304506）

唐杰（1991-），男，湖南新邵人，東北林業(yè)大學研究生，主要研究方向：物流工程；肖生苓（1961-），通訊作者，女，黑龍江哈爾濱人，博士，東北林業(yè)大學教授，主要研究方向：物流工程與生物質(zhì)材料。