Abaqus在饮料包装稳定性评估中的应用

摘要： 目前，饮料行业无菌灌装线具有灌装速度快、包装成本低的优点，成为饮料灌装技术发展的方向和趋势.在高速灌装线上，饮料包装的灌装线稳定性是考量生产效率的重要指标之一.以一个生产中遇到的实际问题为例，利用Abaqus强大的非线性和动态问题解决能力，开发一个饮料包装灌装线稳定性评估原型系统.该系统不仅考虑滴液氮灌装后瓶子的几何变形、灌装速度、导轨与传送带的夹角，还考虑瓶子与传送带以及导轨的摩擦因数等.该系统可以有效评估新包装的稳定性，避免后续生产中遇到的问题，提高生产效率.

关键词： 无菌灌装线； 饮料包装； 稳定性

中图分类号： TB486； TB115.1文献标志码： B

引言

目前，软饮料行业非含气饮料的灌装方式主要有热灌装和无菌灌装等2种.二者的主要区别是灌装温度的不同，热灌装是在较高的温度（如85 ℃）下进行灌装；而无菌灌装是把高温杀菌后的饮料冷却到35 ℃以下在无菌环境下灌装，典型的灌装工艺流程见图1.无菌灌装线具有灌装速度快、包装成本低和包装设计灵活等优点，成为各个饮料供应商发展的方向和趋势.在高速灌装线上，饮料包装的灌装线稳定性成为考量生产效率的一个重要指标.本文以一个生产中遇到的实际问题为例，研究影响高速灌装线上包装稳定性的主要因素，利用Abaqus强大的非线性和动态问题解决能力，开发一个饮料包装灌装线稳定性评估原型系统.此系统考虑滴液氮灌装后瓶子的几何变形、灌装速度、导轨与传送带的夹角，还有瓶子与传送带以及导轨的摩擦因数等，不仅可以对现有出现问题的包装提供改进，还可以有效评估新包装的稳定性，避免后续生产中遇到的问题，提高生产效率.

图 1无菌灌装工艺流程

1问题描述

前几年，可口可乐公司新建的装瓶厂引入一批Krones的无菌灌装生产线，生产速度可以达到每分钟800瓶，这些生产线主要用来生产450 ml的果粒橙.2011年可口可乐准备新上市一款420 ml的SKU，瓶子的高度与450 ml果粒橙的瓶子相同，但直径有所减小，见图2.

图 2PET瓶设计

显然，420 ml的PET瓶重心比450 ml的高，即其灌装线稳定性差一些.因此，在实际生产过程中，尤其是在套标之前的传送带上，会出现倒瓶现象，见图3.

图 3倒瓶现象

这类倒瓶现象大大影响生产效率，有些工厂采用的临时解决办法是安排一名工人手工将瓶子扶起来；有些工厂则降低生产速度，如降到每分钟720瓶或600瓶.

2问题分析

2.1瓶子设计

包装的在线稳定性与瓶子的设计有直接关系.如瓶子重心的位置和瓶子与传送带接触的有效直径，即瓶子的倾倒角， 见图4.瓶子的倾倒角越大，表示瓶子越稳定.

图 4瓶子倾倒角

目前，为降低包装成本，瓶子的质量越来约轻，许多无菌灌装的产品通过滴液氮（压力范围在60～120 kPa）提高瓶子的刚度和强度.因此，在考虑瓶子倾倒角时，应考虑瓶子变形后的倾倒角.

2.2传送带设计

根据工厂的反馈，低速线（每分钟600瓶）不存在倒瓶现象，因此传送带速度是需要考虑的因素之一.另外，也应考虑瓶子与传送带以及导轨之间的摩擦因数，还有导轨与传送带的夹角等，见图5.

图 5传送带

3原型系统设计和开发

目前，高速无菌灌装线广泛采用滴液氮的方法降低包装成本，因此，简单、静态地计算空瓶的重心和倾倒角是没有意义的.灌装后最终成品 （变形后）的重心和瓶底的有效直径应该用来评估瓶子的稳定性，需要引入CAE软件分析瓶子的变形，而不是仅仅用CAD软件分析空瓶的重心和倾倒角.采用2种模型评估包装的在线稳定性：一种是静态模型，用来计算灌装后瓶子的倾倒角；另一种是动态模型，模拟灌装后成品在灌装线上传动的情况，该模型考虑灌装线的设计，包括摩擦因数以及传送带和导轨的几何尺寸等.

3.1静态模型

利用Abaqus/Standard模拟瓶子的灌装、滴氮和封盖的过程，计算瓶子的变形.在输出结果中选择COPEN，得出瓶子变形后和传送带的有效接触直径，见图6.为充分利用高速生产线的效率，对现有的420 ml的果粒橙瓶子进行改进.由于吹瓶的生产模具早已开好，比较经济可行的改进方式是修改瓶底的设计，增加瓶子变形后的瓶底有效直径.利用此静态评估模型对现有的瓶底以及改进的2种瓶底进行评估，筛选出较好的设计方案，见图7.（a）瓶子变形（von Mises应力分布） （b）瓶底有效直径图 6瓶子变形以及有效直径

图 7瓶底设计方案比较

3.2动态模型

为直观地评估瓶子的在线稳定性，介绍包装稳定性动态评估模型.针对该模型的分析分为2步：第一步利用Abaqus/Standard进行瓶子膨胀分析；第二步采用Abaqus/Explicit进行瓶子的传输模拟.先以一个瓶子为例进行开发.

（1）几何模型：瓶子采用SHELL单元S4R/S3；传送带以及导轨采用刚体.

（2）载荷：在瓶子内壁均匀施加80 kPa内压.

（3）接触：瓶子与传送带之间的摩擦因数为0.15；瓶子与导轨的摩擦因数为0.2.

（4）速度：9条传送带的速度级差约为13 cm/s.

包装稳定性动态评估模型见图8.

图 8包装稳定性动态评估模型

另外一个需要考虑的问题是如何处理内部饮料对重心的影响，如果采用CEL的方法，会造成计算成本高、不易收敛等问题.考虑到瓶子在传送带上比较平稳，液面晃动不大，可以采取2种方式进行近似.（1）把液体的质量分布到相应的瓶子节点上.（2）增加某些材料的密度.这2种简化方法都要保证瓶子的重心位置与实际相符.

分别对单瓶和双瓶的情形进行模拟，结果见图9.（a）单瓶动态传输模拟 （16CPUs，3 h） （b）双瓶动态传输模拟 （16CPUs，25 h）图 9单瓶和双瓶动态传输模拟结果

4结束语

目前，高速无菌灌装线对包装的灌装稳定性提出更高的要求，本文针对包装的灌装稳定性问题，利用Abaqus开发2种稳定性评估模型——静态模型和动态模型.以一个生产中遇到的实际问题为例，验证模型的可行性和实用性.该模型一方面可以用来分析解决生产中遇到的问题，快速、有效地找到解决方案；另一方面，可以在包装设计阶段对新包装进行优化设计，避免后续生产可能遇到的问题.下一步可以更加细化传送带和导轨的几何信息，使之更加接近工厂的实际情况， 并对模型进行流程化和标准化处理.