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1、碳酸饮料瓶爪瓣式瓶底结构力学性能研究 宋卫生 李菲 李自刚 河南牧业经济学院 摘 要： 目的 研究碳酸饮料瓶爪瓣瓶底几何形状参数对瓶底应力开裂现象的影响规律。方法 通过加速应力开裂测试观察瓶底的应力开裂现象;通过单因素试验分别分析凹槽底部圆弧直径、凹槽侧壁张角、凹槽深度以及爪瓣数量对最大主应力最大值的影响规律;通过全因素实验研究对比 4 个几何参数对最大主应力最大值影响的显著性。结果 通过单因素试验, 发现随着凹槽侧壁张角、凹槽底部圆弧直径以及爪瓣数量的增大, 最大主应力的最大值均呈现下降的态势, 而表示凹槽深度 4 个数据的分析结果则呈现虽深度增加但最大主应力的最大值均增加的态势。全因素实验
2、证实这 4 个参数中只有槽底圆弧直径、凹槽数量以及凹槽深度对瓶底最大主应力的最大值有显著的影响。另外, 凹槽深度、凹槽数量分别与槽底圆弧直径的交互效应呈现出显著影响。最后拟合了瓶底最大主应力的最大值与影响显著的几何参数之间的回归方程。结论 在厚度均匀的前提下研究了几何结构的相关参数对应力开裂的影响及规律, 厚度变化及厚度分布的变化对应力开裂的影响还需进一步研究。关键词： 爪瓣式瓶底; 应力开裂; 几何参数; 最大主应力; 作者简介：宋卫生 (1980) , 男, 河南牧业经济学院副教授, 主要研究方向为包装工程与仿真分析。作者简介：李自刚 (1970) , 男, 博士, 河南牧业经济学院副教授
3、, 主要研究方向为环境生物工程技术。收稿日期：2017-06-09Mechanical Properties of the Petaloid Bottom Structure of Carbonated Beverage BottleSONG Wei-sheng LI Fei LI Zi-gang Henan University of Animal Husbandry and Economy; Abstract： The work aims to study the influence of geometry parameters of carbonated beverage bottles
4、 petaloid bottom on the bottle bottoms stress cracking. The stress cracking at the bottom of the bottle was observed by accelerated stress cracking test. The influences of the arc diameter at the bottom of groove, the side wall opening angle of the groove, the groove depth and the petaloid number on
5、 the maximum value of the maximum principal stress were respectively analyzed through single factor experiment. The significance of the effects of 4 geometrical parameters on the maximum principal stress was studied by means of all-factor experiment. Through the single factor experiment, we found th
6、at the maximum value of the maximum principal stress showed a downward trend with the increase of the side wall opening angle of the groove, arc diameter at the bottom of the groove and the number of the petaloid; however, the analysis results of the 4 data indicating the groove depth showed a upwar
7、d trend of the maximum value of the maximum principal stress although with the increase of the depth. The results of all-factor experiment showed that only the arc diameter at the bottom of the groove, the number of the grooves and the groove depth had a significant influence on the maximum value of
8、 the maximum principal stress of the bottle bottom. In addition, the interaction of the groove depth and the number of grooves respectively with the arc diameter at the bottom of the groove also had significant influence. Finally, the regression equation of the relationship between the maximum value
9、 of the maximum principal stress at the bottom of the bottle and the geometric parameters with significant influence was fitted. The influence of relevant geometrical parameters on the stress cracking and its law are studied on the condition of uniform thickness. It is necessary to study the influen
10、ce of thickness change and thickness distribution on the stress cracking subsequently.Keyword： petaloid bottom; stress cracking; geometrical parameter; maximum principal stress; Received： 2017-06-09爪瓣式瓶底结构形式在碳酸饮料用 PET 瓶中广泛使用1, 用以取代带杯状底座的 PET 瓶, 由于其结构形式相对原来瓶底的半球状复杂了很多, 所以在外部载荷的作用下, 更容易出现应力集中现象2。爪瓣式结构
11、多用于含气饮料的包装, 瓶内存在一定的内压, 在一定的条件下, 瓶底易出现应力开裂现象, 对生产效率和消费者的安全造成了一定的影响3。PET 瓶应力开裂问题的研究是国内外学者研究的热点。王备战通过研究提出, 影响 PET 瓶爆裂、渗漏的原因主要有材料、瓶坯、吹塑工艺及环境这 4 个方面, 此外, 如果模具底部设计不合理, 也会造成爆裂、渗漏4。刘圣涛所译外文文献提出了一些影响应力开裂的因素, 比如灌装线的润滑剂、瓶底复杂的形状等, 但未进行深入探讨, 主要分析了瓶坯和瓶的加工工艺对瓶底应力的影响, 提出了增大瓶坯质量、瓶底收缩量, 减薄瓶底厚度以及对瓶底进行水喷雾快速冷却等方法提高瓶体的耐应力
12、开裂性5。赵雅等选择同一瓶型不同原料、不同瓶型相同原料的包装容器样品展开耐环境应力开裂测试并对数据进行分析比较, 结果表明, 瓶型和瓶体的厚度分布以及材料对瓶体的耐应力开裂性均有较大影响6。林金平通过偏光透射法研究 PET 碳酸饮料瓶结晶分布情况, 通过稳态与动态流变法研究 PET 树脂的流变性能, 探讨 PET 瓶应力开裂的原因, 结果表明, 瓶身存在结晶分布不均匀、树脂相对分子质量分布窄、有极高相对分子质量存在等现象, 这些因素均易造成应力集中或应力残留, 使 PET 碳酸饮料瓶耐应力开裂能力变差7。高卫霞从高分子物理角度进行开裂机理的分析, 探讨关键性的根本因素原料对应力开裂的影响, 分
13、析了特性粘度和瓶子加工过程中特性粘度的下降程度对瓶子抗应力开裂能力的影响, 研究表明原料特性粘度越高, 瓶子抗应力开裂的能力就越强, 而特性粘度的下降程度越大, 瓶子抗应力开裂的能力就越差8。国内外关于 PET 瓶应力开裂问题的研究大部分从材料、瓶坯、吹塑工艺等方面着手开展。这里则通过有限元模拟分析的方法, 从爪瓣式结构参数设计优化方面入手, 研究瓶底应力开裂现象, 以及爪瓣形结构尺寸参数对其影响的规律。1 实验与仿真1.1 加速应力开裂测试实验将柠檬酸和碳酸氢钠注入 PET 瓶中生成二氧化碳气体9。二氧化碳气体含量为8.45 g/L, 然后把含有二氧化碳气体的 PET 瓶瓶底放入体积分数为
14、0.2%的 Na OH 溶液中以模拟开裂过程10。当气泡通过底部开裂的缝隙出现时, 观察并记录出现开裂的位置11。1.2 仿真分析实验设计这里用有限元显示算法分析凹槽侧壁张角、凹槽底部圆弧直径、凹槽深度以及爪瓣数量这 4 个因素对最大主应力分布及最大值的影响, 因此首先需要建立相应参数的有限元模型。1.2.1 不同凹槽底部圆弧直径的实验设计在分析凹槽底部圆弧直径时, 选取 5, 6, 7, 8, 9, 10 mm 这 6 个不同凹槽底部圆弧直径参数进行分析。凹槽侧壁张角为 70, 爪瓣数量为 5, 是当前市面常用的爪瓣数量, 凹槽深度在建模过程中是变量, 这里用靠近瓶底中心处凹槽起始点截面形状
15、下部的圆弧圆心与坐标原点之间的距离 (s) 来表示深度。靠近瓶底中心处凹槽起始点截面形状下部的圆弧圆心与坐标原点之间的距离越小, 凹槽深度越大, 反之亦然, 这里设定该距离 s 为 4 mm。1.2.2 不同凹槽侧壁张角的实验设计选取 60, 70, 80, 90这 4 种不同凹槽侧壁张角进行分析, 凹槽底部圆弧直径设定为 8 mm, 爪瓣数量为 5, 表达凹槽深度的距离 s 设定为 4 mm。1.2.3 不同凹槽深度的实验设计选取 s 为 4, 4.5, 5, 5.5 mm 来表示不同的凹槽深度进行分析, 凹槽侧壁张角为 70, 爪瓣数量为 5, 凹槽底部圆弧直径设定为 8 mm。1.2.4
16、 不同爪瓣数量的实验设计在分析爪瓣数量变化的影响时, 选取 3, 4, 5, 6, 7 这 5 种不同爪瓣数量进行分析, 凹槽侧壁张角为 70, 表达凹槽深度的距离 s 设定为 4 mm, 凹槽底部圆弧直径设定为 8 mm。1.2.5 全因素实验设计为了分析影响最大主应力分布及最大值的关键结构参数, 并建立各参数与最大主应力最大值之间的关系式, 这里以凹槽侧壁张角、凹槽底部圆弧直径、凹槽深度以及爪瓣数量这 4 个结构参数为因子, 以最大主应力最大值为响应来设计二水平四因子的全因素实验, 1.3 有限元模拟分析在 Pro E 中建立瓶底模型, 在 Ansys Workbench 中进行模拟分析。虽然实际的瓶底厚度分布不均匀12, 但这里只分析结构参数对瓶底力学性能的影响, 瓶底的厚度变化及厚度分布的影响暂不考虑13。模型的厚度设为 1 mm, 弹性模量为 1.4 GPa, 屈服应力为 81.4 MPa, 密度为 0.85 g/m, 泊松比为 0.4414。固定瓶底模型的顶
