（机械设计及理论专业论文）瓦楞纸箱成型过程仿真.pdf

摘要 瓦楞纸箱因其缓冲保护性能良好从而广泛应用于产品的外包装 随着瓦楞纸 箱市场需求的不断增加以及生产规模的迅速扩大 在市场竞争日趋激烈的同时也 暴露出诸多与其生产过程直接相关的质量问题 目前在生产故障发生后通常只是 采用根据经验对相应设备进行调整这种缺乏充分理论支持的做法 因此就生产过 程中工艺参数等因素对瓦楞纸箱强度性能的影响以及瓦楞纸箱成型机理进行全 面深入的研究将有助于发现瓦楞纸箱加工过程中可能出现的问题并优化瓦楞纸 箱的生产 从而为改进瓦楞纸箱的设计和生产工艺的改进提供理论依据 瓦楞纸板的压痕与折叠是瓦楞纸箱的成型过程的最主要工序 压痕与折叠对 纸板属于大位移和大变形的过程并且同时涉及到压痕设备 压痕力 压痕深度等 诸多决定纸箱生产质量的关键环节的因素 针对压痕与折叠过程中容易出现纸板 卷曲或压线破裂等故障现象 本文在考虑瓦楞纸板材料非线性和几何非线性的基 础上选择了某型号单瓦楞纸板 采用a n s y s 参数化设计语言就瓦楞纸板机械方 向和正交方向运用接触分析技术建立了压痕与折叠工艺的3 维有限元模型并对 瓦楞纸板的压痕及折叠过程进行了仿真 得出了瓦楞纸箱成型过程中纸板的变形 情况 纸板的应力分布情况及压痕力与折叠力矩的变化情况 仿真结果表明经压 痕后的瓦楞纸板的强度 压痕力与折叠力矩基本随纸板变形增大而增加但呈非线 性变化 在对工艺过程进行仿真的基础上就不同压痕线宽 压痕力及压痕深度等参数 的变化对纸板压痕的影响进行了研究 得出了上述工艺参数变化时瓦楞纸板压痕 区的力学性能的一些规律性特征并就有限元分析中发现的一些典型故障进行了 讨论 最后将压痕 折叠及纸板的粘合与撑开成箱等工序进行整合从而建立了完 整的瓦楞纸箱成型过程的仿真模型并得到了纸板的相应的变形情况 为进一步的 研究奠定了基础且对瓦楞纸箱及类似包装容器成型过程和成型机理的研究具有 一定的参考价值 关键词 瓦楞纸箱 成型过程 仿真分析 工艺参数 非线性分析 n ab s t r a c t c o r r u g a t e d b o x e sa r ew i d e l yu s e di np a c k a g i n ga st h e yf u n c t i o nw e l li n p r o t e c t i n gp r o d u c t s w i t hc o n t i n u o u sg r o w t ho fm a r k e tr e q u i r e m e n t so fc o r r u g a t e d b o x e s t h ep r o d u c t i o ns c a l ee n l a r g e sf a s t w h i l el o t so fq u a l i t yp r o b l e m sa r i s ea s m a r k e tc o m p e t i t i o nb e c o m e si n c r e a s i n g l yf i e r c e n l es o l u t i o na f t e rf a i l u r ee m e r g e si s c u r r e n t l ym e r e l yt oa d j u s tr e l a t i v ee q u i p m e n t sa c c o r d i n ge x p e r i e n c e sw h i c hl a c k s c o n v i n c i n gt h e o r e t i c a ls u p p o r t t h u st or e s e a r c hc o m p r e h e n s i v e l ya n dt h o r o u g h l yo n i n f l u e n c e so ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so nm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fb o x e sa sw e l la s t h em e c h a n i s mo fs h a p i n go fc o r r u g a t e db o x e sh e l pf i n dp o s s i b l ep r o b l e m sd u r i n g p r o d u c i n gp r o c e s sa n dt oo p t i m i z ec o r r u g a t e db o x e sp r o d u c t i o n t h e o r e t i c a lb a s e so f i m p r o v e m e n t so fc o r r u g a t e db o x e sd e s i g na n dp r o d u c t i o nt h e no f f e r e d d u r i n gt h ec o r r u g a t e db o x e ss h a p i n gp r o c e s s c r e a s i n ga n df o l d i n go fc o r r u g a t e d b o a r db o t hh a v el a r g ed i s p l a c e m e n ta n dl a r g ed e f o r m a t i o np r o c e s s i i t hc r e a s i n g e q u i p m e n t s t o g e t h e r l i t hc r e a s i n gf o r c ea n dd e p t he t c i n v o l v e d m a k e st h ec h i e fa n d c r i t i c a lp r o c e d u r e sw h e r ep r o d u c t i o nq u a l i t yr e l i e so n p o i n t i n ga g a i n s tw a r p i n go r f r a c t u r ea n do t h e rf a i l u r ep h e n o m e n ae m e r g e dd u r i n gc r e a s i n ga n df o l d i n g ac e r t a i n t y p eo ft r i p l ew a l lc o r r u g a t e db o a r dw a sc h o s e nt o b u i l da3 d i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n tm o d e lb ym e a n so fa n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g ec o n s i d e r i n gm a t e r i a l n o n l i n e a r i t ya n dg e o m e t r yn o n l i n e a r i t yo ft h eb o a r d c o n t a c ta n a l y s i st e c h n i q u e sa r e u s e dt os i m u l a t et h et w op r o c e s s e s a n dd e f o r m a t i o nm a pa sw e l la ss t r e s sd i s t r i b u t i o n m a pt o g e t h e rw i t hc r e a s i n gf o r c ea n df o l d i n gm o m e n tw a sp r e s e n t e d i ti si n d i c a t e d t h a tt h eb o a r da f t e rc r e a s i n gi ss a f ei ns t r e n g t h a n dc r e a s i n gf o r c ea sw e l la sf o l d i n g m o m e n tb a s i c a l l yr i s e sa st h ed e f o r m a t i o nb e c o m e sl a r g e rb u tn o tc h a n g i n gl i n e a r l y i n f l u e n c e so nc r e a s e db o a r df r o mc h a n g e so fp a r a m e t e r sl i k ed i f f e r e n tc r e a s i n g s t e e lw i r ew i d t h c r e a s i n gf o r c ea n dd e p t ha r er e s e a r c h e db a s e do nt h er e a l i z a t i o no f t e c h n o l o g i c a ls i m u l a t i o n a n ds e v e r a lr e g u l a rt r a i t so fm e c h a n i c a lf e a t u r e sa r o u n d c r e a s e da r e a so ft h eb o a r dw e r ed r a w n t y p i c a lf a i l u r ed i s c o v e r e dd u r i n gt h ef m i t e e l e m e n ta n a l y s i sw a sd i s c u s s e d a tl a s tc r e a s i n g f o l d i n g g l u i n ga n dr a i s i n gp r o c e s s a r ei n t e g r a t e dt om a k eaf l a i lm o d e lo fs h a p i n gp r o c e s so fc o r r u g a t e db o x e s a n d r e l a t i v ed e f o r m a t i o nm a p so ft h ec o r r u g a t e db o a r du s e dw e r ed r a w n w h i c ho f f e r sa f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d ya n dr e f e r e n c ev a l u ei nr e s e a r c ho ft h es h a p i n gp r o c e s s a n dm e c h a n i s mo fc o r r u g a t e db o x e sa n do t h e rs i m i l a rk i n d so fp a c k a g i n gc o n t a i n e r s k e yw o r d s c o r r u g a t e db o x e s s h a p i n gp r o c e s s s i m u l a t i o na n a l y s i s t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s n o n l i n e a ra n a l y s i s i l l 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中明确的说明并表示了谢意 躲锹隰班 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借 阅 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文 同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文 并向社会 公众提供信息服务 研究生 签名 保密的论文在解密后遵守此规定 导师 签孙睢英嗍纠 r 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与课题来源 瓦楞纸箱因具有轻便牢固 减振性好且宜于机械化生产等一系列优点 作为 包装容器公认较为理想 长期以来在运输及销售包装中被广泛采用 l j 相关报道 显示2 0 0 7 年各季度在全球瓦楞纸箱生产量均呈稳步增加的趋势 其中年度总产 量比上一年增长幅度约4 5 达1 7 4 0 亿平方米 据统计亚洲2 0 0 7 年瓦楞纸箱 产量超过7 0 0 亿平方米 以逾全球4 0 的产量份额成为世界范围内瓦楞纸箱最主 要的产地 相关预计表明 在瓦楞纸箱产业新兴国家和地区 特别是中国内地和 香港特区瓦楞纸箱的生产量增长将保持高速度 其中2 0 0 9 年中国将产量上取代 美国成为瓦楞纸箱生产的世界第一大国 2 瓦楞纸板生产完成后通过施以后成 型工艺进行瓦楞纸箱的生产 因技术和工艺的不成熟与不完善等原因造成在我国 目前瓦楞纸箱的生产中时常出现各种问题 而影响到瓦楞纸箱的生产质量并进一 步造成产品的包装缺陷 据有关统计近几年中国出口商品时由于包装质量缺陷等 原因导致的外贸经济损失甚至达近百亿美元 生产环节是关系瓦楞纸箱质量的决 定性环节 纸板卷曲 压线破裂 折叠出现偏斜等多种故障现象都可能在实际生 产中遇到 当前故障发生后通常只是依照经验对设备进行调整 这种做法缺乏理 论的检验和支持 因此对瓦楞纸箱的强度性能以及生产中工艺参数等因素对其强 度性能等方面的影响进行全面和深入的研究 对瓦楞纸箱的生产环节实现优化 寻找解决故障的可靠对策是当前包装行业的重要课题 当前借助计算机对瓦楞纸箱的原材料瓦楞纸板本身以及瓦楞纸箱成型过程 进行模拟和仿真的技术逐渐成熟 其作为除实验方法和理论方法外研究纸箱成型 问题的重要方法已经成为当前包装行业重要的研究方向之一 本文为含几何 物理等特征参数的瓦楞纸箱成型过程的仿真建模研究 课题 来源于教育部留学基金项目 瓦楞纸箱成型过程的动力学仿真及试验研究 教 外司留 2 0 0 7 1 1 0 8 号 1 2 研究的目的和意义 瓦楞纸箱的需求随着市场产品激增而不断增加 而瓦楞纸箱生产规模在快速 扩张的背后 市场竞争也越发激烈 诸多与其生产过程直接相关的质量问题也相 继暴露出来 这些都要求在企业对瓦楞纸箱的生产工艺通过全面的研究和认识的 基础上通过优化瓦楞纸箱的生产环节来提高瓦楞纸箱生产的技术含量并降低生 产瓦楞纸箱的成本 从而提高生产瓦楞纸箱的经济效益 使生产企业在竞争中能 保持良性发展态势而立于不败之地 瓦楞纸箱成型过程的仿真的基本思路是对瓦楞纸箱实际生产系统的关键结 武汉理工大学硕士学位论文 构与功能进行计算机建模 并通过数值分析的途径获取有关数量指标 从而可对 瓦楞纸箱的成型过程给予定性或定量的描述 本文就瓦楞纸板压痕 折叠到成箱 等一系列重要物理过程进行模拟来尝试探索瓦楞纸箱成型的基本机理并研究瓦 楞纸箱加工过程中种种可能出现的问题 从而为瓦楞纸箱改进设计和生产提供理 论性依据 避免各种设计浪费和设计不足等缺陷 逐步推进高质高效生产以建设 节约型经济 并为类似包装容器成型过程与成型机理的研究提供参考 1 3 国内外研究现状 随着瓦楞纸箱在产品运输与销售包装业的广泛应用 众多研究机构和国 内外多位学者从各种角度对其进行了研究 取得了不少成果 从研究范围分 析 对瓦楞纸箱 板 的研究涵盖了材料本身的力学性能参数的测定 与其 夹层板式结构相关的力学性能研究 生产机理分析与设备选择经验的归纳 生产过程中纸箱 板 的故障诊断以及纸箱的优化设计等不同方面 如福建 省莆田市产品质检监督所的尤聪娥 3 从瓦楞纸板的厚度 戳穿与耐破度以及粘 合强度等强度性能因素对瓦楞纸箱质量的影响做出了定性的分析 提出了加 强质量管理 优化生产的工艺流程以提升瓦楞纸箱质量的建议 法国的s a u a o u i 等人 4 研究了在多种相对湿度及其它环境因素对瓦楞纸板机械性能的 参数影响 瑞典的p i s a k s s o n 等人 5 就瓦楞纸板折叠时的破坏和面纸剥离的问题 展开研究 并针对数学方法求解结果与实验所得数据进行了比较荆 从研究方法的角度分析 对瓦楞纸箱 板 的研究也呈多样化特点 对 于作为包装件的瓦楞纸箱来说 对其基材即瓦楞纸板的力学性能的研究是开 展瓦楞纸箱各种力学性能研究的重要基础之一 目前学术界针对瓦楞纸板开 展的相关力学性能研究主要集中于材料自身的性能参数以及与结构相关的性 能特性的探讨上 概括而言主要包括以下几种 1 实验测定 通过相关包装实验台对某项或某几项指标进行测试 得 出参数的相关测量数据 该方法具有针对性强以及数据易于分析对比的优点 缺点是测试相对费用较高 并且注意到市场上瓦楞纸板型号甚为繁多 此方 法只能测出某些具有一定代表性的产品特性参数 2 综合归纳推导 通过对实验得出的详尽数据进行系统性归纳总结 并分析瓦楞纸板性能的基本特征 通过数学建模推导经验公式 这种方法的 缺点是对理论掌握要求高并容易出错 2 0 0 6 年 青岛科技大学的孙聚杰 江南大学的卢立新 7 对瓦楞纸板进行 疲劳压缩试验 测定分析了压缩次数 压缩频率 压缩量等对纸板塑性变形 承载能力以及缓冲性能的影响 2 0 0 8 年 孙聚杰 8 在对瓦楞纸板进行疲劳振 动试验之后 又在对其承载能力进行疲劳性能研究的基础上提出了瓦楞纸板 2 武汉理工大学硕士学位论文 的n a 疲劳破损曲线 并运用m i n e r 理论就两级应力振动的累积疲劳效应作 了分析 3 有限元分析法 借助相关工具对瓦楞纸板有限元建模 考虑其典型 结构特征 恰当地施以边界条件 对压缩 振动等典型载荷下的瓦楞纸板响 应情况仿真模拟 得出变形 应力分布等结果 现在快速发展的有限元分析 技术正不断走向成熟 此方法也逐渐被研究者广泛采用 如哈尔滨商业大学 的高德等1 9 利用a b a q u s 分析软件 对在动态冲击下的a b 型瓦楞纸板缓冲 性能进行了非线性有限元仿真分析 北京市印刷包装技术重点实验室 lo 根据 双瓦楞纸板的夹层板结构特征 分别建立了a b 型单双层双瓦楞纸板的有限元 模型 利用a n s y s 分析其结构的第1 阶固有频率 并与通过h o f f 夹层板理 论计算得出结果和振动试验所得结果进行了对比 国外方面 美国的r a m i h a j a l i 等人f l l j 就面纸和芯纸在瓦楞纸板不同方向上的性能差异进行了深入细 致的研究 并优化了瓦楞纸板仿真模型 g i l c h r i s t 等 1 2 就瓦楞纸板对于包含材 料 几何非线性的有限元建模 采用a b a q u s 软件对单瓦楞纸板在弯 压 剪 扭载荷下的力学特性作了c a e 分析 2 0 0 5 年 意大利的b i a n c o l i n im e 1 3 对瓦楞纸板等效刚度参数作了研究 2 0 0 9 年 b i a n c o l i n i 等人 1 4 就瓦楞纸板在 压缩情况下弯曲性能及可能产生的故障机理采用有限元法作了研究 针对成型工艺在瓦楞纸箱生产过程中的影响国内外学者也取得了不少研 究成果 华南农业大学的范小平 l5 1 重庆工商大学的张书彬 1 6 等通过试验研 究分析了瓦楞纸箱成型的几种主要工艺对瓦楞纸箱抗压强度等质量参数的影 响 得出了印刷压力 开槽深度等因素影响下瓦楞纸箱强度下降幅度的变化 情况 但只是对单个因素分别进行研究 对各种因素综合影响下的情况没有 统筹考虑 武汉理工大学的闰琼 1 7 针对瓦楞纸箱成型中部分关键工序建立了2 维仿真模型 并选取压痕线形 压痕模宽等工艺参数研究了其在瓦楞纸板压 痕过程中的影响 但其仅仅研究了c d 方向 c r o s so rc o u n t e rd i r e c t i o n 正交 方向 压折的仿真 未考虑m d 方向 m a c h i n ed i r e c t i o n 机器方向 的情况 瑞典的h e n r i kb r u z e l l 1 8 针对瓦楞纸箱生产工艺建立了模型 提出了对瓦楞纸 箱生产进行仿真研究的一种方法 但其研究中瓦楞纸板材料模型仍有待完善 荷兰的b k t h a k k a r 等人 1 9 通过试验研究和数学分析方法 重点研究了瓦楞 纸板的压痕过程 获得了瓦楞纸板的位移 载荷曲线 并就纸板压痕后的变形 情况给出分析 但是该试验相比瓦楞纸板实际生产中的压痕工序缺少了压痕 底模设备 所得结果无法对实际生产的研究和改进提供完整的参考 综合来 看当前对瓦楞纸箱成型工艺与其中的故障分析与控制的研究仍相对孤立 此领 域中还存在大量问题有待深入研究和探索 这也是本课题的出发点所在 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 研究的主要内容 全文的主要研究内容包括瓦楞纸箱成型仿真建模 工艺模拟 参数及故 障分析等 具体包括如下4 部分 1 瓦楞纸板的3 维有限元仿真模型的建立 瓦楞纸板波纹形楞芯的几 何形状和各向异性的力学性能特点是建模工作要考虑的重点 论文在对瓦楞 纸板结构特点和性能参数进行分析的基础上建立瓦楞纸板的3 维仿真模型 并就m d 和c d 方向进行压痕与折叠建立完整的工艺设备的有限元模型 2 对经过压痕工序的瓦楞纸板模拟约1 8 0 折叠并研究其力学特性 压痕是瓦楞纸板生产成箱的第一个大变形过程 也是纸箱成型关键的工序之 一 本文分别就c d 和m d 方向从纸板压痕折叠后的变形情况 应力分布 模 切压力和折叠力矩等方面进行分析和讨论 3 压痕线宽 压痕力等重要工艺参数的变化对瓦楞纸板压痕区的影响 及典型故障的分析与讨论 压痕钢线的宽度和压痕力是压痕工序非常重要的 影响因素 本文对此进行分析 并探讨可能发生的典型故障 4 瓦楞纸箱成型过程的仿真 将瓦楞纸板局部压痕 折叠的工艺模型 进行整合 建立瓦楞纸板成箱过程的完整模型 进行瓦楞纸箱成型过程的仿 真分析 1 5 本章小结 本章是对论文的整体性概括说明 首先给出了瓦楞纸箱成型过程仿真这一课 题研究背景的简要分析 论证了该研究的目的和经济意义 介绍了课题来源 综 述了相关研究领域在世界范围内各研究机构与学者取得的成果 最后概括了全文 研究的主要内容 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章瓦楞纸箱成型过程仿真的理论基础 2 1 瓦楞纸板材料的正则方程 从材料力学理论知 应力单元体可作为表示一点的应力状态的理论模型 图 2 1 即为一个应力单元体 它表达了作为研究对象的一点应力状态的一般情况 应力单元体的各边长度均为无穷小 相平行的三组面的应力1 7 和f 在数值上对应 相等 设飘y z 方向的正应力分别用民 o y 昵表示 对于切应力 以下标第 一个字母表示该切应力所在的面 下标第二个字母表示切应力的指向 应力单元 体满足切应力互等定理 z x 图2 1 应力单元体 由以上知可用6 个分量表示一点的应力状态 则一点的应力应变关系可表示 为 2 1 式 c 1 4 c 2 4 q q q c 2 c 3 6 c l g 6 s x s y z 7 研 y 译 坛 2 1 分别用玑1 w 分别表示一点的3 个位移分量 则几何关系式可表示为 锄加却 巳 瓦 弓2 万 乞2i 2 2 y 堂 鱼 一 堂 丝 y 丝 堡 2 3 2 瓦 瓦 2 i 瓦 岛2 瓦 磊 屹弓 2 1 式e e c o r 为刚度矩阵 其中共包括3 6 个常量 但通常在实际情况中 5 5 5 5 5 5 5 g q g g g g 3 3 3 3 3 3 厶厶 厶 繇 2 2 2 2 2 2 q g q q g g g办办以锄和勿 武汉理工大学硕士学位论文 材料刚度矩阵的常量可以少于3 6 个 假设在应力仍作用下 产生大小为击 的位 移增量 则有d w a d g i 其中咖为单位体积功的增量 由 2 一1 式 有a c o d e j 从而有 d w 2 白由如f 对 2 4 式积分 则有 w 三q 巳毛 又 考 丽o w c f 婴 c 声 8 i a s i 2 4 2 5 2 6 2 7 由于c i 的下标字母顺序与微分先后顺序无关 即 铲o 2 8 综上知 对称矩阵 o 只包含2 1 个独立常量 并且当材料中含有对称面的 时候 则刚度阵中的独立常量会进一步减少 如 当存在x o 平面为材料的对称 面时 所有与x 轴正向相关的常量必须等于与x 轴负方向相关的常量 即独立常 量的数目随材料对称性的增强而减少 对于对称面仅有1 个 例如z o 面的材料 其剪应变分量k 和k 分别只跟 剪应力分量 和 有关 在此情况下独立的弹性常量只有1 3 个 假如材料存 在2 个正交对称面 那么与此二平面相互垂直的平面也存在对称面 此时材料即 具有正交各向异性 就只有9 个独立的弹性常量 对于各向同性的材料独立的弹 性常量数目为2 个 纸是通过将植物与矿物纤维等从悬浮液中沉积至一定的成型设备上 再经 过烘干等工序制成的较为均匀的薄片 纸经过造纸机成型后会形成方向性 纵向 为纸的在与造纸机运行相平行的方向 而横向为纸的再与造纸机运行相垂直的方 向 因此纸从材料特性讲属于正交各向异性材料 通常对正交各向异性材料 材料而言应力应变关系可表示为 2 9 式 6 武汉理工大学硕士学位论文 q y s 岛 比 y 乒 1 e 一 e 一 e 0 一 e y l e y 一 e p 0 o 00 0 e 习v 000 e z 上 ooo e z o j oo q 2 9 由 2 9 式可知 在正交各项异性材料的刚度矩阵中 未知的独立常数共 包括晟 母 昱 岛 g 毫 敛等9 个参数 取得完整的瓦楞纸 板的力学性能参数是本研究的重要基础 在与瓦楞纸板相关的研究领域中 许多学者已经提供了部分参数 由于纸材料往往很薄 导致在厚度方向某些参 数很难测量 根据参考文献 2 5 可使用经验公式取得 如 岛 o 3 8 7 肛万 2 1 0 由于不同地区生产瓦楞纸板所用原纸及原纸原料性能的差异 即使对相同型 号的纸板而言其机械性能参数也只是一个区间内而非一个确定值 在此确定一组 典型的参数即可 本文采用的一组完整的瓦楞纸板的性能参数如表2 1 1 1 所示 表2 1 瓦楞纸板面纸与芯纸的性能参数 e m p a e 砷v r p a e r q v i p a 啊 坳g y m p a g 勉 m p a g 胛a 面纸4 7 7 5 2 0 8 81 9 1 o 1 80 0 10 0 11 2 2 21 6 6 2 81 3 7 2 8 芯纸4 4 7 21 6 1 21 7 9o 1 80 0 10 0 11 0 3 92 2 6 3 41 9 8 7 2 2 2 有限元法及有限元分析软件a n s y s 2 2 1c a e 与有限单元法 c a e c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 意为通过使用计算机对复杂工程诸 如产品结构刚 强度 屈曲稳定 动力负载下系统响应 热导性 接触及弹 塑性分析等力学性能辅助分析计算 以及针对结构及性能的优化设计等多 种问题的进行近似数值分析的方法 2 0 世纪6 0 年代初 工程上就已开始应 用c a e 迄今为止c a e 已有逾5 0 年的发展史 其相关算法和理论皆经过 7 以巩以锄 眵 上 上q o o 0 o o 0 o 武汉理工大学硕士学位论文 了蓬勃发展并日趋成熟的历程 而今成为工程 产品结构分析优化 如机械 航天 土木等行业 最常应用的数值计算辅助工具 亦是目前分析各类连 续性力学问题的重要手段 c a e 随计算机有关技术的不断发展升级 系统 功能范围与计算结果精度都得到大幅提高 诸多基于数字建模方法的c a e 系统随之诞生 并发展成为结构分析与优化的非常重要的工具 2 0 1 有限元法是一种通过将结构进行离散 将实际结构离散为有限数目的规 则单元组合体的数值分析方法 经有限元法离散后结构的不同单元之间相联系 的媒介称结点 离散前连续体的位移 应变 电磁等场变量的求解在离散后 将转化成这些值在有限单元结点上进行求解的问题 对于离散的所有单元都 可以通过给予指定某插值函数 使得此函数能够在外部边界即子域与外界分界面 以及内部边界即子域的分界面包括子域的内部都满足与求解问题相关的条件 有 限元的求解思想还包括将全部单元生成的方程进行拼合从而得到整个系统结构 的方程的步骤 求解这些拼合形成的方程组 最终就可得到结构近似解 2 l 有限单元法的好处是可通过对离散体的特性分析计算出实际结构的各 种性能 用满足工程需要的具有一定精度的近似取代对实际结构问题的复 杂分析 从而使处理很多实际工程中遇到但直接计算又难以解决的困难问 题成为可能 通过有限元法所得是近似的一种数值解 其精确度主要由选 用的单元特性 数目大小以及插值函数特性决定 2 2 2 有限元分析软件a n s y s 在当前众多有限元分析软件中 a n s y s 因其强大功能在学术界广泛应 用 a n s y s 是一种可以实现结构力学 电磁 热学以及流体动力学有限元 分析等多功能的商用有限元分析软件 且可在各种性能配置的计算机上运 行 从普通p c 到工作站甚至巨型计算机都可以进行a n s y s 分析计算 a n s y s 具有的另一大优点是其文件在其所有工作平台上均可实现兼容处 理 并且a n s y s 允许与许多主流c a d 软件如u n i g r a p h i c s p r o e n g i n e e r s o l i d w o r k s 等完成数据交换从而实现数据共享 总而言之a n s y s 是当代领 先的一款c a d c a e 软件 a n s y s 与市场上同类有限元软件相比 具有以下强大的技术特征 具 有非常优秀的求解非线性问题功能 具备快速求解功能 具有从极为广泛 的多种硬件平台上一致的用户界面 具有选择智能性划分网格功能及良好 的用户开发环境 2 2 等等 基于此 本文选用a n s y s 软件对瓦楞纸箱成型过 程的课题进行有限元仿真分析 在大多数情况下a n s y s 求解问题由前处理 求解与后处理等3 步组成 与 之对应地将a n s y s 的3 大主要模块概述如下 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 前处理p r e p 7 模块 在本文的研究中主要利用前处理模块完成创建瓦 楞纸板实体模型 创建相关设备仿真模型 定义纸板材料 指定单元属性以及对 纸板有限元划分网格等几项内容 2 求解s o l u t i o n 模块 a n s y s 求解模块中包含了大量功能如结构静 力分析 动力学分析 电磁及流体分析等等 在本文中主要利用a n s y s 该模块 对所建立的瓦楞纸板成箱的有限元模型进行计算和有限元求解 具体工作包括定 义分析类型 施加载荷 设定边界条件及求解等内容 本文的研究主要利用了a n s y s 的结构非线性分析模块进行瓦楞纸板经压折 等工序后形成瓦楞纸箱过程的非线性仿真求解 结构非线性问题的特点是 部件 或结构的响应不随外载荷成比例地非线性变化 结构非线性问题可划分为静态和 瞬态非线性问题等包括材料非线性 几何非线性等问题 这些都可以在a n s y s 程序中解决 3 后处理p o s t l 和p o s t 2 6 模块 当a n s y s 完成有限元计算后 进入 后处理模块可观察期望了解的结果 a n s y s 后处理分通用后处理 p o s t l 模 块与时间进程后处理 p o s t 2 6 模块两部分 其中前者可以用于查看完整模型 或选定模型的某部分在某些子步或某时间步的求解结果 如获得各种位移场 应 变场等包含变形状况的等值线图 以及检查分析和解释结果的列表等 时间进程后处理模块将在本文用于查看模型的特定点在某一及所有时间步 内的计算结果 并获取结果数据对指定时间步的关系图形以及绘制曲线表 如绘 制位移 时间曲线 应力 应变曲线等 2 2 3a n s y s 命令流与本文涉及的主要命令 a n s y s 参数化设计语言 a p d l a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 是一 种用参数型变量方式分析目标模型及针对自动完成分析指令输入与运行操作的 脚本语言 亦俗称命令流 以智能化分析手段构建的求解模式可为使用者提供自 动指令输入而完成整个有限元分析过程 其特点是每在a n s y s 程序中做一次 g u i 操作就有一句或一组命令流语句与之对应并在系统中记录 但是并非每一句 或一组命令流语句都可在a n s y s 中关联对应的g u i 操作 在某些较复杂问题如 优化设计中a p d l 方式则较为常用 可从a n s y s 中导出命令流文件或直接建立 因其受程序版本号与系统平台的限制甚小 当模型复杂抑或部分模型与指令需要 多次修改重复输入的情况下a p d l 显得尤为适用 同时也使问题分析资料的保 存和交流更便利 2 3 1 总而言之a p d l 命令流能充分发挥其参数型变量建模及其 分析的优势 为本文提供了一种更高效的处理问题的手段 故而得以采用 各种命令是所有a n s y s 命令流的重要组成部分 是调用相关功能 实现某 种操作的指令 以下为本文涉及的部分重要a n s y s 命令流提要 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 n l g e o m 命令 瓦楞纸箱的成型过程中需对瓦楞纸板进行压痕 折叠等工序并包含大变形过程 大变形效应可以在a n s y s 中通过 n l g e o m 命令在分析流程中予以包含 输入该命令可同时适用于静态以及瞬态分析的大变 形特征 在瓦楞纸箱的成型仿真a p d l 命令流中输入以下命令 n l g e o m d 即在仿真分析流程中包含大变形特征 这一语句的使用对于分析计算的正确 收敛有重要的影响 2 d 命令 在有限元分析中对有限元模型施加载荷与约束是必要环节 之一 瓦楞纸箱的成型过程中也需要针对压痕和折叠等各种动作对模型施加必要 的约束 在瓦楞纸箱的成型仿真a p d l 命令流中通过 d 命令对指定结点施加 自由度约束 本文中使用的 d 命令简化输入格式如下 d n o d e n u m l a b v a l u e 该格式中n o d e n u m 为要施加约束的结点编号 输入形式可以是编号也可以 为a l l l 此时所有结点都将被施以数值为v a l u e 的约束 当v a l u e o 时即为固定所 选结点的所选自由度 l a b 一项为自由度约束的形式 如d x d y 线位移 r o 似 r o t z 旋转位移 等 瓦楞纸箱的成型仿真a p d l 命令流中不仅可通过 d 命令对相应结点实现 固定还可以指定对应结点的位移如 c m s e l s r u l e rn o d e 选中以压痕钢线模型结点构成的组元 d a 1 1 a l l o 固定所有结点在所有方向的自由度 d 2 l 1 1 u y 一r u l e r d p l 所有结点在负y 方向发生大小为r u l e r d p l 的位移 3 e k i l l 与 e a l i v e 命令 瓦楞纸箱成型仿真过程中 一些组件 的功能并不是在所有步骤中都有体现 如果不在适当时机将其 删除 反而会影 响后续动作的完成 而在删除后又可能需要在某一步将其恢复 这一问题在 a n s y s 中可以通过 单元生死 即 e k i l l 单元死 与 e a l i v e 单元生 命令解决 使用 e k i l l 命令达到 单元死 的效果只是将所选单元的刚度阵乘以某 一极小的因子从而使单元的载荷 刚度等都为 零 单元活 也只是重新激活 被 杀死 但依然存在的单元 当单元重新激活后其载荷 刚度等将恢复原始数 值 需要注意的是使用 e a l i v e 命令激活的单元没有应变记录 a n s y s 即 通过 e l l 与 e a l i v e 命令实现对组件的添加及删除 在对瓦楞纸板折叠的仿真过程中需要将发生折叠旋转部位的原支撑板组件 进行删除以防止其阻碍折叠过程 这时即用到 e k i l l 命令实现 若重新恢复 删除的组件则使用 e a l i v e 命令 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 4 d o e n d d o 循环命令 瓦楞纸箱成型属于大变形过程 无论是 压痕还是折叠过程的仿真计算都不能一步计算到位 本文首先引入了时间步 载 荷子步机制 以压痕过程为例在时间步 载荷子步机制下 设压痕深度为正指定 子步数为月 则每一子步都进行压痕深度为d i n 的累加式压痕操作 折叠过程也 与此类似 这就引出了循环命令的使用问题 在a n s y s 中 d o e n d d o 命令可以实现在指定的次数内连续重复执行有关命令的功能 在瓦楞纸箱的成型 仿真a p d l 命令流中 使用滚筒对瓦楞纸板折叠部分即应用了该命令 部分命 令流如下 d o v a r l 1 m a x x x v a r l 作为控制变量范围为1 m a x 旺 在此范围内执行以下 循环命令 c r u s e l s c y l n dn o d e 选择滚筒结点组元 d a l l a l i 0 d a l i r o t z r t d e g v a r l m a x 般 沿 z 轴每次旋转位移为r t d e g v a r l m a x x x t i m e t i m e n u m v a r l m a x 旺 统计时问步变为t i m en u m v a r i m a x x x s o l e n d d o 结束循环 5 宏的应用 在瓦楞纸板的实体建模过程中一些参数在程序中会反复用到 并且在成箱工艺中瓦楞纸板某些部位需要与不同的设备发生接触 这些部位需要 一些特定的设置因此分区段进行建模 基于以上考虑建模编程引入了宏文件 m a t c 文件 图2 2 即为建立折叠滚筒部分模型的宏文件c y l i n d e r 其 c d m a c 中的8 曜即为宏的局部变量 在建模的主程序中只需输入c y l i n d e t c d m a c 及定 义的局部变量即可自动完成折叠滚筒的建模 图2 2 折叠滚筒建模的宏文件 在瓦楞纸箱成型过程仿真分析的主程序中将瓦楞纸箱成型工艺的各设蔷均 武汉理工大学硕士学位论文 编制了宏 可大大减少重复性编程工作并使主程序结构更为简洁从而提高工作效 率 2 3 本章小结 本章对瓦楞纸箱成型过程仿真涉及的有关理论给予了简明介绍 首先针对瓦 楞纸板材料给出了正则方程 确定了本文中瓦楞纸板的材料性能参数 继而选取 了大型通用权威有限元软件a n s y s 及其命令流语言作为仿真工具 就本文涉及 的主要命令做了说明 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章瓦楞纸板c d 方向成型过程的仿真 3 1 瓦楞纸板c d 方向成型工艺的3 维有限元建模 3 11 瓦楞纸板结构的有限元建模 3111 瓦楞纸板典型结构的基本彩式 在诸多包装材料中瓦楞纸箱由于兼具经济性与适用性 同时有良好的绿色环 保性能等一系列优点广泛作为产品外包装 各种瓦楞纸箱制作的基材是瓦楞纸 板 瓦楞纸板是由箱板纸与芯纸分层粘接成的一种复合型夹层板状物 在图3 1 所示的瓦楞纸箱所采用的瓦楞纸板中内外两面所用为箱扳纸 亦称作面纸 生 产中箱板纸通常采用高克重的纸 低克重的纸通常用于制作瓦楞芯纸 瓦楞芯纸 的典型特征是其规则的波纹形状 图3 1 瓦楞纸箱及基材瓦楞纸板 瓦楞纸板作为一种层合板 在实际应用中有2 3 5 7 层等多种形式 以 满足不同包装需求 其中在瓦楞芯纸的两面贴以面纸即为3 层瓦楞纸板 这种瓦 楞纸板在包装用瓦楞纸箱中最为常见 应用最广泛 通常称之为单瓦楞纸板或者 双面瓦楞纸板 图3 1 中即为单瓦楞纸板制成的瓦楞纸箱 典型单瓦楞纸板的结 构示意图如图3 2 所示 图3 2 典型单瓦楞纸板结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 在各种瓦楞纸板中单面 2 层 瓦楞纸板的芯纸只有一侧贴有面纸 通常只 是按照一定的尺寸直接作为缓冲材料 而不用作瓦楞纸箱的制作 5 层瓦楞纸板 亦称双瓦楞纸板或者双瓦双面瓦楞纸板 是在两层芯纸中间和两外侧面贴以面纸 制成的 即可看作由一块单瓦楞纸板加一块2 层瓦楞纸板贴合而成 这种瓦楞纸 板较厚 故缓冲保护性能要强于单瓦楞纸板 由其制成的瓦楞纸箱常用于易损物 品或较重物品的包装 2 层 5 层瓦楞纸板的结构示意图分别如图3 3 3 4 所示 图3 32 层瓦楞纸板结构示意图图3 45 层瓦楞纸板结构示意图 3 1 1 2 瓦楞纸板楞型的分类 瓦楞纸板的楞型是根据瓦楞高度和单位长度上瓦楞结构的个数对瓦楞纸板 进行区分的一种指标 楞型对于瓦楞纸板的机械性能有直接影响 即使在使用同 样质量的面纸和里纸的情况下 楞型不同制成纸箱后性能也有所差异 目前最常 用的4 种楞型a 型楞 b 型楞 c 型楞和e 型楞瓦楞纸板各自的参数如表3 1 所示 a 型楞的瓦楞纸板一般具有弹性较好的特点 b 型楞的瓦楞纸板的瓦楞密 集 表面的平整度高 具有承压于适印性强的特点 c 型楞的瓦楞纸板楞高和单 位长度楞数等参数介于a b 型之间 纸板也兼具两者之优点 e 型楞的瓦楞薄 而密 有更好的刚度和强度 表3 1 不同楞型瓦楞纸板的参数 楞型楞高 m i l l楞数 个 3 0 0 m m a4 5 53 4 2 b 2 5 35 0 士2 c3 5 4 3 8 士2 e1 1 29 6 4 4 3 1 1 3 瓦楞纸板有限元建模的思路与方案 选择c 型单瓦楞纸板建模 建模的基本思路是首先对瓦楞纸板的结构进行 一定的合理简化 再使用a n s y s 命令流进行建模 图3 5 为瓦楞纸板简化后的模型 c d 方向成箱意味着将在纸板的y z 面创建 折痕 m d 方向成箱则是在x z 面创建折痕 瓦楞纸板的上下两层面纸可视作薄 板结构 中间的波纹形芯纸可以近似假设为正弦波形 两层面纸与芯纸无论在材 料特性还是结构形状上都不相同 鉴于此瓦楞纸板的