降低PET碳酸瓶成型压力的瓶底模结构优化及实验研究_胡青春.pdf

第 卷第 期 年 月塑料工业 降低 碳酸瓶成型压力的瓶底模结构优化及实验研究胡青春，王桢皓，姜晓平，董书生，梁炎均（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州；广东星联精密机械有限公司，广东 佛山）摘要：针对五爪瓣型的聚对苯二甲酸乙二醇酯（）碳酸瓶底在吹塑过程中成型困难的问题，提出一种改进的底模结构，以降低最低吹塑压力。利用 软件有限元分析，研究了碳酸瓶底的不同几何特征对于吹塑成型中材料流动性的影响，并获得瓶底厚度分布的点云数据。使用 仿真非均匀壁厚的瓶底力学性能，在保证一定瓶底性能的前提下，对原瓶底结构进行优化设计。以 雪碧瓶为例设计测试底模进行实验，测试的最低吹塑成型气压由原底模的 降低为 ，且在凸底测试中，组测试样品的 底中心高度最低为.，高于要求的标准.。关键词：碳酸瓶；吹塑；瓶底性能；流动性；有限元中图分类号：.文献标识码：文章编号：（）：.开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；.，.，）：（），.，.：；聚对苯二甲酸乙二醇酯（）是生产饮用包装水的主要材料，注塑拉伸吹塑工艺是现在生产 饮料瓶使用最广泛的成型工艺，其过程是先在注塑模中注入 材料生产瓶坯。然后将瓶坯放入红外烤箱中，再加热到玻璃转变温度以上（约 以上）。将加热后的瓶坯放入拉伸吹塑模中，拉伸杆将瓶坯顶向底模，使瓶坯产生轴向应变，在此过程当中，还要向瓶坯中先后通入低、高压力的气体，称之为预吹和高吹，前者的作用是防止在拉伸过程中发生瓶坯包杆冷却的情况，后者作用是将瓶坯紧贴向模具内壁，使瓶坯发生周向应变，最终脱模取出完成 瓶的生产。在碳酸瓶的成型过程中，因为其特殊的爪瓣型底部结构，碳酸瓶的成型需要更大的高吹压力。本文将讨论碳酸瓶底各个部位在不同几何尺寸下的吹塑成型性能以及抗内压的力学性能，找到利于材料流动的瓶底形状改善方向，并保证瓶底的力学性能。目前有关 吹塑的研究大都有关于瓶身的轻量化、吹塑工艺、顶压性能与结构优化、改善瓶体厚度分布或瓶坯的温度厚度分布，对于瓶坯材料在吹塑时流动性的研究较少。通过改进吹塑模具结构，提高瓶坯在模具中的流动性能，能够减小生产时的吹塑压力，从而作者简介：王桢皓，男，年生，硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论。.塑 料 工 业 年 减少在压气机的能源消耗，以及提高生产的安全可靠性。计算模型.本构模型 是非线性的黏弹性材料，等和 等的研究表明了在不同拉伸条件下 方形样片表现出不同的拉伸性能，故使用有限元模拟材料变形过程需要能够描述其力学行为的本构模型。和 提出了一种基于物理的三维本构模型，该模型在低温和短时间尺度下表现为玻璃响应，在高温和长时间尺度下表现为类似橡胶的响应，因此是一种玻璃橡胶本构模型，模型在高温，长时间的条件下，该模型的适用性受到构象弛豫的限制。等提出一种积分型本构模型，即 本构模型，该模型计算结果与实验数据的一致性好，本文采用 本构模型对吹塑过程进行有限元模拟。模型的时间积分本构模型为：（）（）（，）（，）（）式中，（）应力张量；（）时间存储函数；（，）两个应变常量，的衰减函数；（）手指应变张量。本文使用的本构模型为最简单的无阻尼 模型，其中 （，），所采用的离散松弛时间谱为：.，.，。.几何模型本文以 雪碧瓶为原始模型进行优化，其底模的基本尺寸为底模顶部直径.，最大深度.，支撑脚到中心轴的距离约 。底中心高度；凹槽纵截面底部路径；凹槽底宽；槽侧壁张角。图 瓶底几何模型 瓶底的几何模型如图 所示，优化设计变量的几何特征为底中心的高度。凹槽纵截面底部曲线，具体分为曲线在瓶半径方向的投影称为槽长与曲线两端连线到曲线的最远距离称为拱高；槽底部圆弧的半径，这影响槽底部的宽度；凹槽两个侧壁之间的夹角。对于每一个几何特征，设置一个标准值，得到一个标准模型，然后每一特征再设置一上限值和一下限值，产生共 个测试模型，如表所示。表 瓶底优化模型参数设置 优化变量初始参数下限值上限值底中心高 槽高 槽长 拱高 槽底半径 张角（）.吹塑仿真及材料流动性分析对于每一测试模型，建立瓶坯和底模的简化有限元网格模型如图 所示。图 吹塑仿真的有限元网格模型 在吹塑仿真中，对吹塑过程进行简化。由于只讨论不同底模对于 材料吹塑流动性的影响，所以将原本的模腔底模和瓶坯组成的拉伸吹塑过程简化为底模和半瓶坯的吹塑过程，并将半瓶坯的厚度分布简化为 的均匀分布，从而大大减少单元数量，降低仿真的时间成本。图 吹塑加载曲线 对瓶坯施加如图 中所示的阶梯式逐步增大的压强，记录材料在压强的作用下与模具完全贴合的时第 卷第 期胡青春，等：降低 碳酸瓶成型压力的瓶底模结构优化及实验研究间，如表 所示。表 各测试模型吹塑仿真贴合模具时间 优化变量参数接触时间 接触时间差值 底中心高.槽底半径.槽长.槽高.拱高.张角（）.从表中数据来看，当拱高由 增加至 时，对材料接触时间的影响最大，接触时间由.降低至.，共减少.，其次是张角由减少至 时，接触时间由.降低至.，共减少.。其余的因素之间对材料接触时间的影响相近，且其余因素对接触时间的影响都明显小于张角与拱高两因素。对接触时间的影响都是减小该优化变量，能够缩短瓶坯与模具内表面接触的时间。瓶底的结构强度分析在进行碳酸瓶的瓶底优化设计时，需要考虑优化后的瓶底是否有一定的抗内压强度，这就需要对于每一吹塑后的瓶底模型进行力学性能的仿真验证。不同于一般的壳模型，吹塑成型得到的瓶底壳模型是厚度分布不均匀的，若设置一致厚度则会产生较大误差。本文采用 与 的联合仿真，首先从 结果文件中导出瓶坯材料区域的厚度信息，在吹塑后的瓶壁上以均匀间距选取 个点云采样点，并以绝对空间坐标厚度的格式输出。然后在 截面属性中设置解析映射场，导入厚度分布文件。设置 材料在常温下为杨氏模量为.的弹性材料，泊松比为.。载荷边界条件设置为内表面大小为.的压强。五爪瓣型的碳酸瓶底主要依靠瓶底的设置的凹槽来提供抗变形能力，只要凹槽的变形量不大，就能为瓶底面提供良好的支撑。对瓶底进行结构强度分析时，主要分析凹槽纵截面底部曲线上有限元网格节点的空间位移。从这条曲线的上端开始到曲线的底端也就是瓶底中心，设置一条路径，在路径上选取 个节点，绘制这 个节点的距起点距离节点空间位移图。图 不同槽底宽度路径节点位移 槽底半径对瓶底受压变形的影响如图 所示，在路径的前半段，小半径的节点位移更小，而在路径后半段，大圆弧表现出更好的抗变形能力。这是因为，凹槽在接近瓶侧壁的区域，较大的圆弧在此处会凸起更大的面积，且圆弧曲率较小，承受更大压强，所以在这个部位抗压变形能力更差；在路径后半段，因为凹槽的横截面逐渐增大，大的半径的凹槽的底部会更宽，所以抗变形能力增加。在优化槽底半径时，可以使用从上到下，半径逐渐增大的形式。不同瓶底中心高度不同槽长度图 不同瓶底中心高与槽长的路径节点位移 不同瓶底中心高度对于整个路径上的节点位移影响如图 所示，主要表现在中后段，底高中心高度增大，节点位移量也更大。对于瓶底中心的节点位移塑 料 工 业 年 影响较小。灌装汽水后长时间放置材料会发生蠕变变形，所以在设计瓶底时，需要预留一定的底高为防止变形凸底留出余量。另一方面，由中心向四周逐渐降低的底面形状，有利于材料向四周运动。在设计底高时需要在保证材料流动良好以及不凸底前提下，选择较小底高。不同槽长对路径节点位移影响如图 所示，不同槽长对于路径前段的节点的位移影响不明显，主要体现在终段。槽长对底面的中心的影响比较大，较大的槽长能为底面的大部分区域提供支撑，而小槽长对底面中心的支撑不足，瓶底的中心区域在小槽长的模型上明显增大。需要选择尽可能大的槽长来保证底面抗变形能力，凹槽的底端需要挨近瓶底中心的凸台。槽高对于整条路径上节点位移的影响如图 所示，主要体现为在路径的前半段低槽高的节点位移小，后半段大槽高的节点位移较小。槽的高度减小时，凹槽与瓶侧壁的夹角加大，所以在该区域节点位移较小。而增大槽高则纵截面底部曲线相对于底面的夹角较大，在底面受到向下的压力变形时，能够提供更好的支撑。拱高对路径节点位移的影响如图 所示，主要体现为，在前半段，大拱高的位移较小，而在后半段，小拱高的位移较小。拱高对于瓶底抗变形能力的影响较大，这是因为拱高这一因素对于凹槽纵截面的总面积影响最大，减小拱高则瓶底凹槽结构的整体承载能力就会大幅减弱。不同槽高不同拱高不同槽张角图 不同槽高拱高与槽张角的路径节点位移 槽张角对于瓶底抗压的影响如图 所示，影响程度较小，张角在 到 之间，整条路径上的节点位移变化不明显。在路径前半段小张角的抗压能力强，而在后半段，大角度的抗压能力强。张角的大小对于路径节点位移的影响相对其他几个因素最小。建立优化模型与实验验证.建立优化模型综合不同模型的吹塑过程仿真与吹塑件瓶底结构强度仿真的结果，对于本文所设置的六个优化目标采取以下优化策略：增加底中心高度以增加结构受力时的可变形余量；使用大槽高与大槽长以大幅提高结构的抗压强度，小幅提高吹瓶气压；拱高是同时对吹塑材料流动性和瓶底结构抗压强度影响很大的因素，为了改进瓶底能够保证一定的抗压能力，需要维持与原瓶相同的拱高；单纯的减小槽的张角会增大瓶底支撑脚的宽度以及减小凹槽侧壁与瓶底的夹角，从而导致材料在凹槽与瓶身相连部位的材料充填困难，为了避免这种现象，采用如图 所示的优化方案，即将凹槽横截面的侧壁改为向瓶外侧凸起的弧线，这样在靠近凹槽底部的区域，张角有效的减少，瓶坯在接触凹槽后，能够延缓支撑脚之间的材料与模具贴合的时间，从而使材料在冷却之前得到更大的变形。图 瓶底凹槽横截面 第 卷第 期胡青春，等：降低 碳酸瓶成型压力的瓶底模结构优化及实验研究.吹瓶实验根据建立的优化模型，加工测试底模，在 半自动 吹瓶机上进行吹瓶实验。吹瓶的主要时间参数设置为：延时封口.，延时一吹.，延时二吹.，二吹时间.，排气时间.，延时拉伸.。二吹气压压强大小从 逐次降低.，直到.时，瓶的支撑脚开始出现成型不足的现象，而 的吹瓶气压能够生产如图 中所示的合格样品。图 在 吹瓶气压下生产的样品 .凸底数值仿真与实验测试针对改进过后的优化模型与原模型，在吹塑仿真与瓶结构的抗压仿真中采用上文中的设置，得到节点的距起点距离节点空间位移图如图 所示。从图中可以看到，改进模型的路径节点位移与原模型相近，即与原模型有相近的抗压性能。原模型的底面中心的节点位移量为.，改进模型的底面中心的节点位移量为.图 原模型与改进模型路径节点位移 拿三个吹塑实验中的样品进行凸底实验，在实验开始前，记录三个样品的空瓶初始底中心高度。用化学法配置测试用的碳酸水溶液。实验中用到的试剂：一水柠檬酸（），分析纯，纯度不低于.；碳酸氢钠（），分析纯，纯度不低于.。使用精度为.的天平进行试剂称量，称取碳酸氢钠.，柠檬酸.。在（）的环境中，将柠檬酸放入空瓶，灌入（）的水 。将碳酸氢钠用薄纸包成细长条，塞入瓶子后迅速旋紧瓶盖。用力摇晃瓶子，使柠檬酸和碳酸氢钠充分反应。将三个灌满化学溶液的测试瓶在室温下静置 ，记录底中心高度，以及高度下降值。将三个测试瓶放入 的恒温水池中，静置，在第 与第 ，记录三个测试瓶的底中心高度以及高度下降值，所记录的实验结果见表。表 中三个测试瓶的 低中心高度下降量分别为.、.、.，取其平均值为.，与仿真结果的.较为相近，误差约为.。测试瓶在 与 后由于材料蠕变的影响，瓶底中心高度会进一步下降。表 凸底测试结果 单位：序号初始底中心高度 凸底 凸底 凸底底中心高度高度下降底中心高度高度下降底中心高度高度下降.结论）通过设置多组测试模型与 软件有限元软件仿真，找到了在六组优化变量中，爪拱高和爪张角是对吹塑成型压力影响最大的因素。）使用 与 联合仿真计算非均匀厚度的吹塑件抗压强度，得到了六个变量对瓶底抗压性能的影响方式与影响大小，其中爪张角与爪顶宽对于瓶底结构的抗压强度影响较小。）综合吹塑与结构强度分析，在保证结构抗压强度的前提下，主要对对爪侧壁形状进行优化，采取侧壁向瓶外凸起的弧线结构。设计测试底模进行吹瓶实验与凸底实验，验证了测试底模在降低气压与保证结构强度上的可行性。参 考 文 献 郭太松 饮料瓶轻量化设计研究及应用 杭州：浙江大学，：，吕超 瓶吹塑工艺及瓶坯结构参数的优化研究 杭州：浙江大学，（下转第 页）第 卷第 期黄晓钢，等：高效液相色谱法测定聚烯烃中两种光稳定剂 ，（）：王文祥 裂解气质联用法测定橡胶中 光稳定剂的含量 分析仪器，（）：，（）：张怡，李建军，钱玉萍 红外法测定、塑料中光稳定剂的含量 石油化工，（）：，（）：赵芳萍，孙爱兵 衍生化高效液相色谱法测定高分子受阻胺光稳定剂 广州化学，（）：，（）：，（）：，（）：，（），（）：（本文于 收到）（上接第 页）：，李炎辉，胡青春 瓶基于 的轴压分析 包装工程，（）：，（）：周烨，辛勇 瓶坯尺寸对拉伸吹塑成型 瓶壁厚分布的影响 工程塑料应用，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（），（）：，：，（）：周骥 聚合物共混和枝化反应以及挤出成型过程计算机模拟研究 上海：上海交通大学，：，（本文于 收到）