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1  绪论
1.1  选题的背景和意义
现在人们越来越重视产品包装，希望能设计出既安全实用又成本低廉的包装，因此使用软件模拟分析及试验包装产品也应运而生。COSMOSWorks的速度更快、成本更低廉、开发出的产品质量更佳，并且可以对产品性能进行前所未有的深入检查，即便使用最细微的原型机都无法达到这种效果。与SolidWorks 3D建模软件完全集成，通过COSMOSWorks，可以直接在SolidWorks中测试设计效果和运行多次迭代。
COSMOSWorks利用了SolidWorks FeatureManager、PropertyManager中的对话框、快速提示并提供了许多相同的鼠标和键盘命令，因此在SolidWorks 中设计零件的任何人都可以直接进行分析，而无需学习新界面。它利用SolidWorks强大的配置来测试多个设计方案。另外，由于COSMOSWorks使用的是SolidWorks原创几何体，因此，在一个程序中进行的设计更改会在另一个程序中自动更新，改进产品质量。
COSMOSWorks都可以极大地提高产品质量，使工程师实现远高于手算的效率，而且能够进行设计概念验证。快速而经济的分析通常可以发现并不直观的解决方法，帮助工程师更好地了解产品特征，消除现场故障。因现场故障可能导致成本高昂的召回和责任问题，所以在实际构建模型之前，COSMOSWorks能够显示该模型在现实条件下的行为，从而我们就可以预测任何零件或装配体在任何载荷情况下的物理行为[1-3]。
1.2  研究的基本对象与拟解决的主要问题
玻璃包装是食品、化工、医疗卫生等行业中使用很广的一大类包装容器。玻璃制品的化学与温度稳定性好，透明美观，密封容装性优良，生产工艺成熟。然而普通玻璃是脆性材料，冲击强度不高，玻璃容器包装商品在流通环境中的可靠性受到了广泛的关注。在国民经济可持续发展的形势下提出了包装减量化生产的要求，通过优化设计，提高强度，减轻瓶重，是玻璃包装努力的主方向。玻璃容器破损的直接原因有内压、热冲击和多种形式的机械冲击。在包装流通领域，跌落冲击是最常见的至损因素。盛装液体或散状商品的玻璃容器既是包装，又是商品的重要组成部分，其完整性是商品是否失效的关键。
目前研究包装防护性能的常规方法主要有：
1）试验方法。包装试验是一类经典分析方法，然而试验在很大程度上是验证性的，而且经济和时间成本高，特别在设计阶段无法进行 强度评估和结构优化。
2）引入易损度的概念。以商品在受到冲击激励后不损坏或不丧失原有功能时的最大加速度与重力加速度的比值来表征其易损度；进而拓展到损坏边界理论。在此基础上，由国外开始的包装结构设计方法沿用至今，然而其注重的是整体上评定包装的防护能力，不能对容器的结构提供具体的改进优化方案。从力学本质上看，应力是容器强度评估的直接依据，加速度的作用则是通过惯性力产生的应力效应。显然，把包装动力学的研究和应用拓展到应力分析层面，将具有重要的应用意义和价值[4-7] 。
本文充分发挥现代有限元计算技术的优势，选择流通和生活中一大宗商品葡萄酒瓶，用Cosmosworks软件进行多种情况下的跌落试验。获得了葡萄酒瓶的应力图解，变形趋势及冲击关键点的应力时间曲线图，从而为将计算机仿真技术引入包装容器的强度分析与结构优化设计提供了探索性成果。2  跌落试验的仿真和分析
2.1  基于Solidworks软件的750ml葡萄酒瓶建模
Solidworks是一款高效的参数化三维设计软件，该软件采用自顶向下的设计方法，可以十分方便的实现复杂三维零件的实体建模、装配以及工程图的生成。同时，Solidworks本身集成了Cosmosworks、Cosmosfloworks、Cosmosmotion等插件程序，与Solidworks无缝集成，可不经转换在Solidworks中直接实现三维浏览、运动模拟、碰撞和运动分析、受理分析及运动算例，在模拟运动中为动画添加马达等功能。为便于进行后期分析处理，采用了Solidworks建模，Cosmosworks进行跌落仿真的技术路线。
     分别对葡萄酒玻璃瓶和瓶盖建模，并将之组合成装配体。由于玻璃瓶是轴对称三维几何图形，所以采用旋转凸台/基体命令将酒瓶轮廓按中心轴旋转形成模型。
 
图1-1  玻璃瓶模型及旋转参数
薄壁厚度为2.50mm

图1-2  瓶颈尺寸图                    图1-3  瓶身尺寸图
瓶颈内径为20mm，瓶颈总高度为80mm，           瓶肩高度为40mm，瓶身高195mm，
瓶口高度16.5mm                                瓶身内径为35mm

图1-4  瓶底尺寸图
          瓶底凹槽部分内壁至地面的高度为15.50mm,凹槽内环半径图1-5  瓶盖尺寸图
                     瓶盖直径为20mm，拉伸长度为40mm
2.2  程序求解方法
程序求解动态问题可通过研究对象的如下方程解决：
Fi(t)+Fd(t)+Fe(t)=R(t)
其中Fi(t)为惯性力，Fd(t)为阻力，Fe(t)为弹性力，R(t)为外部力，包括重力和冲击力，均与时间有关。
在时间区域中直接积分求解此方程式有两种方法：隐性方法和显性方法。显性方法不需要组合或分解刚度矩阵；优点是节省计算时间和资源。但时间步长必须小于使解收敛的临界值。临界步长通常很小。
隐性积分法也能给出一个合理的解，并且时间步长通常比显性方法所需的临界时间步长大一阶或两阶。但在每个步长都需要大量计算。
Cosmosworks使用显性时间积分法求解跌落测试研究。它自动根据最小的要素大小估计临界时间步长，使用
                           更小的值防止发散。程序根据求解进度从内部调整时间步长 。

2.3  跌落试验仿真
Cosmosworks应用独有的FFE解算器，与同类软件相比速度有很大提高。跌落试验与其他力学分析步骤不同是由于进行跌落试验的零部件处于自由状态，不需添加约束，且解算器需要消耗更多的系统资源，因此时间比其他分析更加长。
2.3.1  建立研究并定义材料
首先，我们必须为玻璃瓶和软木塞分别选择材料的弹性模量E,泊松比μ以及密度ρ。
表3-1  计算对象的材料参数
参数/单位
材 料 弹性模量 E/
GPa      泊松比 μ                密度 ρ/
Kg/m3
玻   璃 68        0.25      2.4×103
橡   木       12        0.47      0.65×103

图3-1  建立新算例图3-2  选择掉落测试选项
 

 
图3-3  分别定义玻璃和橡木塞的弹性模量、泊松比以及质量密度

 

2.3.2  研究工况
文中选取葡萄酒玻璃瓶在流通环节中典型因运输或者使用不慎而导致的平跌落和斜跌落。并分别定义跌落目标平面为刚性和柔性，以达到对比分析的目的。
跌落测试的能量损失一般是由于阻尼、摩擦或塑性变形（在使用弹塑性材料时可能发生）引起的。然而在跌落测试分析中，Cosmosworks并不支持阻尼。
跌落试验采用默认的跌落高度为0.3m，重力加速度为9.81m/s2,摩擦系数为0。
1)目标为刚性平面，平跌落
 
图3-4  跌落设置参数          图3-5  网格参数             图3-6 结果选项          

【冲击后的求解时间】指第一次碰撞发生后，程序计算碰撞后的相应的一段真实时间。如果指定了掉落高度，则求解时间不包括物体自由下落的时间。
基于模型的几何形状和默认的材料属性，程序可以估计出求解的时间。
确定默认求解时间的依据是：碰撞产生的弹性波穿过模型并返回的时间。程序由式VELASTIC/弹性波= 估计出碰撞发生时（也就是弹性波传递的开始时）弹性波的速度。式中E为弹性模量（modulus of elasticity）, 为材料密度（density of material）。
假定模型的长度为L，则弹性波以近似等于2L/ 的时间到达最远端（在此处反射），然后反射回原始区域。 在这个时期，重力的反作用力开始作用于模型上。程序设置默认的求解时间为3L/ 。这只是一个估计值，以帮助输入一个合理的时间。因为碰撞周期非常短，程序以微秒计时。最大响应可能会发生在碰撞时或者碰撞后物体的反弹期间。如果指定足够长的求解时间，算例能够模拟多次碰撞和反弹 。
在算例1跌落试验中，设置为网格整体大小7.20mm,公差0.36mm,冲击后的求解时间为50 ，图解数为25。设置完毕后运行解算器进行冲击分析。
 
图3-7  冲击分析图
分析结束后得到Von Mises应力云图并可选择生成报表。

 

 

 


图3-8  跌落时间为50 时的应力云图
表3-2  算例1的结果
名称 类型 最

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