基于有限元分析的可循環(huán)拉鏈郵袋仿真模擬研究

董迪

基于有限元分析的可循環(huán)拉鏈郵袋仿真模擬研究

董迪

（1.郵政科學(xué)研究規(guī)劃院有限公司，北京 100096；2.中國郵政集團有限公司郵政研究中心，北京 100096）

設(shè)計質(zhì)量、強度滿足使用的可循環(huán)拉鏈郵袋，代替一次性郵袋，實現(xiàn)綠色發(fā)展理念。設(shè)計可循環(huán)拉鏈郵袋結(jié)構(gòu)，基于有限元分析模擬拉鏈郵袋實際應(yīng)用中真實物理系統(tǒng)。分析拉鏈郵袋在材質(zhì)、夾具固定方式、負載3種影響因素下的應(yīng)力、應(yīng)變、變形情況，比較仿真結(jié)果，確定可循環(huán)拉鏈郵袋材質(zhì)并驗證。不同材質(zhì)下，滌綸樹脂（PET）變形量較小，高密度聚乙烯（HDPE）次之，聚丙烯（PP）變形量較大。不同固定方式下，袋口兩短邊夾具固定，袋口應(yīng)力較集中，最大位移和應(yīng)變較大，袋口四邊夾具固定袋口變形較小、應(yīng)力較小。不同負載下，負載與應(yīng)力、位移、應(yīng)變?nèi)咦兓收嚓P(guān)，最大應(yīng)力、位移、應(yīng)變出現(xiàn)的位置較為穩(wěn)定。借助有限元分析模擬拉鏈郵袋實際應(yīng)用中受力情況，分析不同材質(zhì)、夾具固定方式、負載情況下，可循環(huán)拉鏈郵袋力學(xué)性能，節(jié)省人力、物力，為實際應(yīng)用提供依據(jù)，同時，證明了滌綸樹脂（PET）可應(yīng)用于可循環(huán)拉鏈郵袋的制作，為綠色、環(huán)保、可降解、可循環(huán)拉鏈郵袋的制作奠定基礎(chǔ)，對限塑、綠色發(fā)展有著重要的意義。

可循環(huán)拉鏈郵袋；有限元分析；應(yīng)力；應(yīng)變；仿真模擬

有限元分析[1]具有方便、實用、有效[2]等特點，被逐漸應(yīng)用到力學(xué)研究領(lǐng)域[3]。有限元分析最初應(yīng)用在航空器的結(jié)構(gòu)強度計算上[4-5]，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及[6]，有限元分析迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[7-8]，是一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛、實用高效的數(shù)值分析方法[9-10]，因此，本研究借助有限元分析方法分析郵袋力學(xué)性能。

普通郵袋作為郵件容器的一種，主要用于郵件分揀、封發(fā)、運輸，由于郵件大小不一，郵袋具有多種型號，郵袋按用途分為普通郵袋、特快專遞郵袋、國際郵件郵袋、航空郵件郵袋等，郵袋按材質(zhì)分為棉麻、滌棉、尼龍、滌綸、聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）等[11-12]。

綜合考慮，棉麻、滌棉郵袋價格昂貴，難維護。尼龍郵袋克重大，性能不穩(wěn)定[13]。滌綸郵袋易帶靜電，會隨著紋路破裂，破裂不易縫補。聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）郵袋屬塑料材質(zhì)，價格低，力學(xué)性能較佳[15]，但易老化，部分材料不降解，污染環(huán)境，造成白色塑料污染。隨著“限塑令”、綠·色環(huán)保要求陸續(xù)發(fā)布，可重復(fù)利用的環(huán)保包裝材料逐步替代一次性塑料包裝，推動可降解、可循環(huán)郵袋發(fā)展。

研究基于有限元分析3種負載下滌綸樹脂（PET）、聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）4種材質(zhì)拉鏈郵袋，不同夾具固定方式下應(yīng)力、應(yīng)變、變形情況，確定拉鏈郵袋最佳力學(xué)性能并驗證，同時探索滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋使用特點，為綠色、環(huán)保、可循環(huán)拉鏈郵袋研究提供依據(jù)。

1 拉鏈郵袋結(jié)構(gòu)

可循環(huán)拉鏈郵袋分為袋身和袋底2部分，袋身外尺寸為800 mm×200 mm×1000 mm，袋底外尺寸為800 mm×200 mm×200 mm，袋身與袋底同材料，袋身比袋底薄，袋身與袋底采用雙側(cè)邊內(nèi)部雙折邊縫制連接，袋口縫制防爆拉鏈。

2 有限元仿真模擬

研究基于有限元分析，對真實物理系統(tǒng)進行仿真，計算物體結(jié)構(gòu)強度。

2.1 建模

借助有限元分析軟件Solidworks構(gòu)建可循環(huán)拉鏈郵袋模型，根據(jù)試驗測定，將張力強度、壓縮強度、彈性模量、抗剪模量、泊松比等材料屬性數(shù)值分別賦予不同材質(zhì)的拉鏈郵袋模型，簡化袋口拉鏈結(jié)構(gòu)，將袋底柔性邊角簡化，袋身與袋底連接設(shè)置為柔性連接。

拉鏈郵袋模型夾具固定方式為袋口四邊夾具固定、袋口兩長邊夾具固定、袋口兩短邊夾具固定3種，負載施加方向垂直于袋底。夾具固定方式和負載施加情況見圖1。

圖1 夾具固定方式和負載施加情況

2.2 網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格劃分直接影響數(shù)值計算結(jié)果精確性，根據(jù)拉鏈郵袋實際應(yīng)用場合采用適合的數(shù)值積分求解方式，其中，網(wǎng)格劃分節(jié)點16 227個，單元8 095個，單元大小41.775 7 mm，單元最大高寬比為38.543。網(wǎng)格劃分示意見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分示意

2.3 仿真分析

研究滌綸樹脂（PET）、聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）4種材質(zhì)、夾具固定方式、負載3個變量對拉鏈郵袋仿真結(jié)果的影響。

分析材質(zhì)對仿真結(jié)果的影響，材質(zhì)（PET、PE、HDPE、PP）不同，負載為100 N，夾具固定方式為袋口四邊夾具固定。

分析夾具固定方式對仿真結(jié)果的影響，夾具固定方式（袋口四邊夾具固定、袋口兩長邊夾具固定、袋口兩短邊夾具固定）不同，負載為100 N，材質(zhì)為滌綸樹脂（PET）。

分析負載對仿真結(jié)果的影響，負載（100、200、500 N）不同，材質(zhì)為滌綸樹脂（PET），夾具固定方式為袋口四邊夾具固定。

2.4 試驗驗證

選用滌綸樹脂（PET）、聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）4種材質(zhì)拉鏈郵袋，根據(jù)模擬條件，試驗測試?yán)溹]袋力學(xué)性能指標(biāo)，驗證仿真結(jié)果。

3 結(jié)果

不同材質(zhì)、夾具固定方式、負載均影響拉鏈郵袋模型仿真結(jié)果。

3.1 材質(zhì)對仿真結(jié)果的影響

選用滌綸樹脂（PET）、聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）4種材質(zhì)拉鏈郵袋仿真，負載為100 N，夾具固定方式為袋口四邊固定。仿真結(jié)果見表1。

滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋應(yīng)力、位移、應(yīng)變仿真分析圖見圖3。

均布載荷施加在郵袋底部，郵袋各部分受力情況反映在應(yīng)力、位移、應(yīng)變變化云圖中。

應(yīng)力仿真分析圖中受力云圖集中在郵袋底部，受力云圖中未出現(xiàn)破損點，在負載為100N時，不易破損。

位移仿真分析圖中位移云圖集中在郵袋中部偏下位置，位移云圖呈現(xiàn)橢圓狀，破損點呈現(xiàn)在橢圓狀中心，位移變化較大，在負載為100 N時，易破損。

應(yīng)變仿真分析圖中應(yīng)變云圖集中在郵袋底部，應(yīng)變云圖中未出現(xiàn)破損點，在負載為100 N時，不易破損。因施加均布載荷，底面受力均勻，郵袋的較大側(cè)面易破損。

比較4種材質(zhì)拉鏈郵袋的應(yīng)力、位移、應(yīng)變結(jié)果如下。

1）最小應(yīng)力從大到小排序為滌綸樹脂（PET）、聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚乙烯（PE）。

2）最大應(yīng)力從大到小排序為滌綸樹脂（PET）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）。

3）最小位移均為0。

4）最大位移從大到小排序為聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、滌綸樹脂（PET）。

5）最小應(yīng)變從大到小排序為聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、滌綸樹脂（PET）。

表1 4種材質(zhì)拉鏈郵袋仿真結(jié)果

Tab.1 Simulation results of zipper mail bags in 4 materials

圖3 PET拉鏈郵袋仿真結(jié)果

6）最大應(yīng)變從大到小排序為聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、滌綸樹脂（PET）。

仿真結(jié)果表明，4種材質(zhì)拉鏈郵袋最大應(yīng)力、最大位移、最大應(yīng)變均在安全范圍內(nèi)，滌綸樹脂（PET）同等負載、夾具固定方式條件下，應(yīng)力較大的情況下，最大位移與最大應(yīng)變較小，變形量較小。高密度聚乙烯（HDPE）的使用情況僅次于滌綸樹脂（PET）。聚丙烯（PP）同等負載、夾具固定方式條件下，應(yīng)力是4種材料中最大應(yīng)力最小的，最大位移與最大應(yīng)變是最大的，在變形量較大。

3.2 夾具固定方式對仿真結(jié)果的影響

選用袋口四邊夾具固定、袋口兩長邊夾具固定、袋口兩短邊夾具固定3種夾具固定方式，負載為100 N，滌綸樹脂（PET）材質(zhì)拉鏈郵袋。仿真結(jié)果見表2。

滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋袋口兩短邊夾具固定條件下應(yīng)力、位移、應(yīng)變仿真分析圖見圖4。

均布載荷施加在郵袋底部，郵袋各部分受力情況反映在應(yīng)力、位移、應(yīng)變變化云圖。

應(yīng)力仿真分析圖中受力云圖集中在郵袋底部，受力云圖中未出現(xiàn)破損點，在負載為100 N時，不易破損。

位移仿真分析圖中位移云圖集中在郵袋較大面，位移云圖呈現(xiàn)橢圓狀，破損點呈現(xiàn)在橢圓狀中部偏下位置，位移變化較大，在負載為100 N時，易破損。

應(yīng)變仿真分析圖中應(yīng)變云圖集中在郵袋底部，應(yīng)變云圖中未出現(xiàn)破損點，在負載為100 N時，不易破損。因施加均布載荷，底面受力均勻，郵袋的較大側(cè)面易破損。

比較滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋袋口四邊夾具固定、袋口兩長邊夾具固定、袋口兩短邊夾具固定方式的應(yīng)力、位移、應(yīng)變結(jié)果：最小應(yīng)力從大到小排序為四邊、兩長邊、兩短邊；最大應(yīng)力從大到小排序為兩短邊、四邊、兩長邊；最小位移均為0；最大位移從大到小排序為兩短邊、四邊、兩長邊；最小應(yīng)變從大到小排序為四邊、兩長邊、兩短邊；最大應(yīng)變從大到小排序為兩短邊、四邊、兩長邊。

仿真結(jié)果表明，同等材料、負載下，袋口兩短邊夾具固定，袋口應(yīng)力較集中，最大位移、應(yīng)變較四邊固定與兩長邊固定情況嚴(yán)重，最大位移、最大應(yīng)變較大。袋口兩長邊夾具固定，袋口也有出現(xiàn)應(yīng)變情況，有一定的變形。袋口四邊夾具固定袋口變形最小，袋口處應(yīng)力最小。

3.3 負載對仿真結(jié)果的影響

選用100、200、500 N負載作用于滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋，袋口四邊夾具固定。仿真結(jié)果見表3。

負載為500 N條件下，滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋應(yīng)力、位移、應(yīng)變仿真分析圖見圖5。

表2 滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋不同固定方式下仿真結(jié)果

Tab.2 Simulation results of PET zipper mail bag with different fixing methods

圖4 滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋袋口兩短邊夾具固定應(yīng)力、位移、應(yīng)變仿真結(jié)果

表3 滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋不同負載下仿真結(jié)果

Tab.3 Simulation results of PET zipper mail bag under different loads

圖5 PET拉鏈郵袋500 N負載下應(yīng)力、位移、應(yīng)變仿真結(jié)果

比較滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋100、200、500 N負載條件下，應(yīng)力、位移、應(yīng)變得出，負載與應(yīng)力、位移、應(yīng)變?nèi)咦兓收嚓P(guān)變化趨勢，隨著負載的增加，應(yīng)力、位移、應(yīng)變也隨之增加，出現(xiàn)最大應(yīng)力、最大位移、最大應(yīng)變的位置較為穩(wěn)定。

4 結(jié)語

基于有限元分析研究不同材質(zhì)拉鏈郵袋，在不同夾具固定方式、負載條件下力學(xué)性能。材質(zhì)的影響，滌綸樹脂（PET）應(yīng)力較大的情況下，最大位移與最大應(yīng)變較小，在實際生產(chǎn)情況下，變形量較小。高密度聚乙烯（HDPE）次之，聚丙烯（PP）變形量最大。夾具固定方式的影響，袋口兩短邊夾具固定，袋口應(yīng)力較集中，最大位移、應(yīng)變較四邊固定與兩長邊固定情況嚴(yán)重，最大位移、最大應(yīng)變較大。袋口兩長邊夾

具固定次之。袋口四邊夾具固定袋口變形小。負載的影響，拉鏈郵袋的力學(xué)性能與負載呈正相關(guān)。本研究研究滌綸樹脂（PET）作為可循環(huán)拉鏈郵袋的可行性，滌綸樹脂（PET）拉鏈郵袋力學(xué)性能較佳，可循環(huán)降解，代替一次性郵袋，為綠色、環(huán)保、可降解、可循環(huán)拉鏈郵袋的制作奠定基礎(chǔ)，不僅降低白色塑料污染，提高了材料使用率，更加綠色環(huán)保，對限塑、綠色發(fā)展有著重要的意義。

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Simulation of Recyclable Zipper Mail Bag Based on Finite Element Analysis

DONG Di

(1. Postal Scientific Research and Planning Institute Limited, Beijing 100096, China; 2. Postal Research Center, China Post Group Co., Ltd., Beijing 100096, China)

The work aims to design a recyclable zipper mail bag with quality and strength meeting the need of use to replace the disposable mail bag and realize the concept of green development. The structure of the recyclable zipper mail bag was designed. Based on finite element analysis, the real physical system of zipper mail bag in practical application was simulated. The stress, strain and deformation of the zipper mail bag under three influencing factors such as material, fixing method of clamp and load were analyzed. Then, the simulation results were compared to determine and verify the material of recyclable zipper mail bag. In view of different materials, polyester resin (PET) had a smaller deformation, followed by high-density polyethylene (HDPE), while polypropylene (PP) had a larger deformation. In different fixing methods, when two short sides of the bag mouth were fixed by clamps, the stress of the bag mouth was more concentrated, the displacement was the maximum and the strain was larger. However, when the four sides of bag mouth were fixed by clamps, deformation and stress were both less. Under different loads, the load and the changes of stress, displacement and strain were positively correlated, and the positions where the maximum stress, displacement, and strain appeared were relatively stable. With the help of finite element analysis, the stress in practical application of zipper mail bag is simulated, and the mechanical properties of recyclable zipper mail bag under different materials, fixing methods of clamp and loads are analyzed, which saves manpower and material resources and provides a basis for practical application. At the same time, the feasibility of polyester resin (PET) as recyclable zipper mail bag is proved, which lays a foundation for the production of green, environmentally friendly, degradable and recyclable zipper mail bag, and has important significance for plastic limiting and green development.

recyclable zipper mail bag; finite element analysis; stress; strain; simulation

TB482

A

1001-3563(2022)15-0234-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.15.027

2021–10–24

董迪（1993—），女，碩士，工程師，主要研究方向為農(nóng)產(chǎn)品包裝研發(fā)、包裝標(biāo)準(zhǔn)研究。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋