ANSYS软件在纸浆模塑包装制品力学分析中的应用

唐 杰，肖生苓，王全亮，陆新宗，李 灿

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

ANSYS软件在纸浆模塑包装制品力学分析中的应用

唐 杰，肖生苓，王全亮，陆新宗，李 灿

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

结合纸浆模塑包装制品的特点，综述有限元ANSYS软件在纸浆模塑包装制品静态分析与动态分析两大方面中的应用。在静态方面，对有限元ANSYS软件在纸浆模塑包装制品（不同结构类型、不同成型参数以及不同成型工艺）力学分析方面的应用进行了阐述；在动态方面，详细介绍了瞬态动力学分析与随机振动分析在纸浆模塑包装制品力学方面的应用。最后对ANSYS软件在纸浆模塑包装制品分析中的不足做出改进，指出在保证纸浆模塑制品模型尺寸、形状、刚度等不发生明显变化的情况下，通过简化模型，降低计算工作量；在UG中实现实体模型的建立、有限元模型的生成和材料属性的设置等相关操作，并将生成的解算文件导入ANSYS中进行解算分析，以解决ANSYS中有限元模型生成困难的问题，以及需要对ANSYS软件建模功能进一步优化处理，使其运算结果更加精确、合理，为缩短产品开发周期与降低成本奠定理论与实践基础。

ANSYS软件；纸浆模塑包装制品；力学分析；静态分析；动态分析

1 引言

纸浆模塑包装制品是用于包容和限制被包装物的固体容器，是近几年发展迅猛的新型包装材料，是实木包装材料和EPS泡沫塑料的优良替代品。纸浆模塑包装制品具有质轻、缓冲、原料来源广泛、可回收再利用等优点。然而，纸浆模塑包装制品的缓冲机理与传统的缓冲材料存在较大差异，人们对于其缓冲特性的了解尚不够深入，这些原因导致了纸浆模塑制品的缓冲包装设计缺乏必要的实验数据和理论指导，制备工艺和模具等都要在生产实践中经过若干次的摸索、调整，才能满足被包装物对模塑制品质量和性能的要求。设计周期长，成本高，甚至可能对环境以及科研人员的安全造成危害，严重制约了纸浆模塑行业的发展[1-3]。近年来，随着数值计算技术的提升与塑性成形理论的发展，使得生产前对成形过程进行数值仿真模拟成为可能，达到了降低产品成本与缩短研发周期的目的[4]。有限元ANSYS分析软件是融合结构、热、声场、流体以及电磁场分析于一体的大型通用软件，由美国ANSYS软件公司开发。经过40多年的发展，ANSYS软件已经发生了很大的变化，由早期只提供热分析及线性结构分析功能，到如今其分析功能已覆盖了自然界四大场：应变场、温度场、流场和电磁场，应用领域涵盖工程材料、桥梁和电子产品等行业。ANSYS软件能与多个CAD软件进行对接，实现数据共享和交换，如Pro/Engineer、AutoCAD和UG等，同时它也具有功能强大的解算功能，是目前国际上最流行的有限元分析软件之一[5]。

2 ANSYS软件在纸浆模塑包装产品静态分析中的应用

静力分析是用来计算结构在稳态载荷作用下引起的位移、应变、应力和力，不考虑惯性和阻尼效应的影响，但可以包含稳定的惯性力，以及能够将随时间变化的载荷等效为静态载荷。静力分析又可分为线性静力分析和非线性静力分析[6]。其中非线性静力分析包含所有类型的非线性特征，如材料非线性、蠕变、塑性、接触单元和大变形等。纸浆模塑包装材料属于弹粘塑性材料，当前针对纸浆模塑包装制品，运用ANSYS软件对其进行静态力学分析，主要有以下几个方面：

2.1 ANSYS软件在不同结构类型模塑包装制品静态力学分析中的应用

纸浆模塑包装制品的缓冲性能通常是通过各个结构的变形和破坏来表征的，其主要作用在于，延长激励力作用时间以降低物品的最大作用力以及通过自身的变形最大限度地消耗或储备外界传入的能量[7]。尽管纸浆模塑制品的结构形式多样，但归结为单元结构，通常只有圆台状、四棱台状、肋状和椅状四种结构。张业鹏[8]利用有限元分析软件ANSYS对纸浆模塑桶型、立方体型和台阶型这三种典型单元结构进行静态压缩仿真分析，得到不同尺寸下的载荷-应变曲线，分析了纸浆模塑典型单元结构的受力变形情况，当纸浆模塑典型单元结构的弹性载荷小于最大载荷的80%时，缓冲单元结构将发生弹性变形，得出此时结构具有较好弹性的结论。Gurav S.P.等[9]对纸浆模塑材料进行拉伸和压缩测试，得到了纸浆模塑材料的应力-应变曲线，并通过试验获得了纸浆模塑制品的肋状结构单元的缓冲性能，运用有限元方法分析，得到了制品的厚度和厚度分布，缓冲单元结构和缓冲单元间距对制品力学性能的影响。田羽[10]针对纸浆模塑包装制品塔状结构，运用ANSYS软件对其进行静态压缩分析，获得载荷-时间曲线，得出结构在承受载荷过程中起到重要的作用。

2.2 ANSYS软件在不同成型参数模塑包装制品静态力学分析中的应用

不同的成型参数，如几何斜度、缓冲高度、纸浆模塑制品厚度和接触边长等，对纸浆模塑包装制品性能产生不同的影响。张业鹏和王章苹[11]等针对纸浆模塑制品结构与缓冲能力，采用ANSYS软件对纸浆模塑制品几何斜度、抗压强度、接触边长、纸浆模塑制品厚度和缓冲高度等进行了有限元分析，并对各参数间的相互影响进行了优化组合，指出材料厚度对纸浆模塑制品的缓冲能力影响很大。曹世普[12]等以实验测定的纸浆模塑材料拉伸应力-应变曲线为基础，对影响纸浆模塑制品缓冲能力的各个结构参数进行有限元分析，得出纸浆模塑制品各结构参数与缓冲能力之间的关系曲线，为纸浆模塑的力学研究提供相应的理论基础。张新昌[13]等通过对五种不同单元参数的纸浆模塑圆台状结构进行分析仿真，得出单元厚度与单元半径是影响单元结构承载能力的主要因素。在施加等量载荷的情况下，单元厚度越大、半径越小，内部应力就越小，结构就越稳定。

2.3 ANSYS软件在不同成型工艺模塑包装制品静态力学分析中的应用

除了以上两种因素对纸浆模塑包装制品缓冲性能存在影响外，纸浆模塑成型工艺对纸浆模塑包装制品缓冲性能的影响也是不可忽略的。脱模角度、高度，热压整形压力大小等因素的不同，影响着纸浆模塑包装制品的性能。WANG Zhang-ping等[14]运用ANSYS分析软件对不同脱模角度、高度和厚度的纸浆模塑桶装置进行静态压缩模拟试验，成功获得了不同条件下，纸浆模塑桶装置缓冲性能的相关参数。钟毓宁[15]等通过ANSYS分析软件对1-13°不同脱模角度的纸浆模塑肋状单元结构进行静力学分析，得出不同的脱模角度将对单元的抗压强度产生不同的影响，并通过分析得到当脱模角度为4°时，模型的抗压强度最大。

综上所述，目前运用ANSYS软件在模塑产品静态力学性能上的研究较多，内容也比较丰富，为纸浆模塑包装制品相关理论的构建提供了基础。

3 ANSYS软件在纸浆模塑包装制品动态分析中的应用

动态分析是产品分析中的一个十分重要的过程，它能反映产品在实际动态过程中所处的情况。对纸浆模塑包装制品进行动态力学分析具有更重要的实际意义，为被包装产品的防护与安全、纸浆模塑制品的开发利用提供相应的理论依据。

3.1 瞬态动力学分析

瞬态动力学分析也称时间历程分析，是确定承受任意随时间变化载荷结构动力学响应的一种技术[6]。在产品搬运储存过程中，大部分产品的损坏都来源于跌落碰撞，针对这类损坏所做的质量试验，往往需要耗费大量的时间和高额的成本，其中最常见的试验是跌落冲击试验，这种方法可靠，但同时也存在很多不足之处，主要表现在：跌落冲击试验一般只能获得试验结果，很难观察到产品发生破坏的原因；跌落冲击试验发生的历程短，难以观察到产品在试验过程中的现象；跌落冲击试验测试的条件难以控制，使得试验重复性较差；跌落冲击试验实施过程中需要耗费大量的人力、物力和财力，增加了产品研发成本；跌落冲击试验时对产品的内部特征和现象难以观察到。

在产品初期设计时，利用ANSYS/LS-DYNA软件对试验条件进行相关的模拟仿真，能有效解决以上问题。相较于传统的试验方法，采用ANSYS/LS-DYNA软件进行虚拟仿真边界条件方便控制，仿真具有可重复性；可直观、动态地观察整个跌落碰撞过程中各物理量的变化；可具体形象地观察产品的内、外部特征和现象；减少试验次数和降低试验成本；设计初期进行模拟可及早了解产品的特性，减少问题的发生[16]。

基于以上优势，目前ANSYS/LS-DYNA软件在产品的研发过程中应用的很普遍，主要从结构、跌落高度和跌落方式三个方面进行分析研究。

3.1.1 ANSYS软件在不同结构模塑包装制品瞬态力学分析中的应用。不同结构对产品的防护能力不同，良好的结构不仅能保护好产品在物流过程中不受损伤还能减少材料的使用，降低生产成本。根据边界破损理论，结构的破损主要受最大许用加速度Gm与冲击脉冲时间T两个因素的制约[17]。通过ANSYS/LS-DYNA软件对模塑包装产品进行实际运输情况下跌落试验模拟，分析跌落对结构的响应，可获得缓冲模塑包装制品跌落冲击地面时的速度、等效应力分布和加速度峰值曲线，并结合跌落冲击时缓冲衬垫材料对被包装物的缓冲保护作用，为缓冲衬垫材料结构的设计提供可靠的依据，避免了破坏性试验带来不必要的损失，节约了成本[18-21]。

3.1.2 ANSYS软件在不同跌落方式模塑包装制品瞬态力学分析中的应用。在产品跌落时，不同的跌落方式造成产品与地面接触的面积不同，如面、角、棱跌落，对产品造成的影响程度也是不同的。一般来说，同一件产品接触面积越大，对产品的损害就越小[22-24]。宋晓琛[25]在跌落模拟仿真分析中，通过对白浆纸浆模塑制品面、棱和角进行跌落分析，得出白浆纸浆模塑衬垫在碰撞后各部分的破损程度，并与试验结果相对比，验证了仿真结果的真实性。

3.1.3 ANSYS软件在不同跌落高度模塑包装制品瞬态力学分析中的应用。跌落高度的不同对产品产生的破坏性也是不同的。同一件制品，一般来说跌落高度越高，产品在跌落过程中的应力、应变和加速度响应就越明显，对制品的损害就越大。因此在对制品进行防护时，高度是一个不可缺少的因素。Geng Dong-wei,Xu Wen-cai[26]通过ANSYS/LS-DYNA软件对纸浆模塑制品的跌落缓冲特性进行仿真分析，研究在2kg重锤作用下，处于不同跌落高度的纸浆模塑制品的最大加速度幅值，为其缓冲性能研究提供了相应的参数。

3.2 随机振动分析

随机振动是一门用概率与统计方法来研究受随机激励载荷作用的机械与结构系统的响应、稳定性和可靠性的技术学科[27-29]。近年来在理论基础、数值计算和载荷分析等方面得到了全方位的发展，在结构工程、工程材料和车辆工程等诸多领域得到了广泛的应用，已成为现代应用力学的一个重要分支[6]。随机振动理论的研究始于20世纪40年代，Rice在最初的研究工作中发挥了重要的作用。20世纪50年代初步形成这门学科，直到1958年美国麻省理工学院随机振动暑期研讨班成功举办及由Crandall主编的论文集的出版被认为是随机振动作为一门学科诞生的标志[30-31]。相比传统的振动试验分析方法，随机振动仿真分析能实现对某些尺寸、质量比较大而且费用昂贵的产品进行随机振动分析；可以具体形象地观察产品的内、外部特征和现象；在产品初期设计时，便能通过模拟仿真为设计提供可靠的依据，确保研发过程有条不紊的进行，节约周期和经费[32]。ANSYS采用功率谱密度作为随机振动分析的载荷输入，其中功率谱密度分为位移功率密度、速度功率谱密度、加速度功率谱密度、力功率谱密度等形式。与响应谱分析的类型相同，随机振动分析也分单点与多点两种形式。

单点随机振动分析是指在模型的一个点集定义相同的功率谱密度曲线。随着纸浆模塑包装制品结构的复杂化和多样化，单点激励振动试验的弱点与不足越来越多地为人们所了解。多点随机振动分析是指在模型的不同点集上定义不同的功率谱密度曲线，它能够克服单点激励存在的一些缺陷，如振动推力不足、振动应力分布不均和易造成局部过试验等问题[33-38]，因此多点随机振动分析在日常运用比较普遍。

随机振动仿真分析方法是基于ANSYS平台的随机振动仿真功能，并通过疲劳损伤验证理论计算分析设备的随机振动情况,寻找出设计中的重要缺陷，对结构设计进行优化，验证其是否满足设备相关振动要求[33，39]。长期的交变应力可能引起设备结构疲劳，使结构产生变形、裂纹甚至断裂等。对各构件进行随机振动分析，通过云图，应力应变分布数据和最大位移点的位移、速度、加速度响应曲线，能直观地查看各构件不同部位的随机振动总体情况，以此确定结构中振动较强的薄弱部位[40-46]。目前对于模塑单元结构，张业鹏[8]运用随机振动仿真对纸浆模塑台阶状、桶状、立方体形三种典型结构进行可靠性分析，获得了各缓冲结构的可靠性强度值，为缓冲包装的可靠性结构设计提供理论指导。在模塑产品整体方面，由于纸浆模塑材料性能的特殊性，整体结构方面的复杂性，目前运用ANSYS随机振动在分析纸浆模塑制品整体力学性能方面尚不成熟，针对这方面的研究也是凤毛麟角。实际上，纸浆模塑包装制品在物流过程中主要承受整体的随机振动，因此在这方面研究更具有实际意义。所以，未来可通过借鉴ANSYS在其他材料结构中的应用来分析模塑包装制品的力学性能，获取相应的参数，为模塑制品的开发缩短周期，降低成本。

通过对模塑产品动态力学性能分析中较为常见的瞬态动力学与随机振动综述分析，表明当前ANSYS在产品预处理方面发挥着越来越重要的作用，对产品的研发具有重要意义。

4 ANSYS软件在纸浆模塑包装制品分析中的不足与展望

近年来，随着计算机技术的普及和计算能力的不断提高，有限元分析在纸浆模塑产品设计和研发中得到了广泛的应用，已经成为解决复杂产品分析计算问题的有效途径。但同时在运用过程中还存在着许多不足之处，有待进一步研究。

（1）在运用ANSYS/LS-DYNA软件针对纸浆模塑包装制品进行仿真模拟时，由于纸浆模塑包装制品模型结构复杂，单元数目较多，运算起来不仅耗时而且对计算机的运行性能要求较高。因此，在模型导入ANSYS中之前，在保证简化后的模型在尺寸、形状、刚度方面不发生明显变化的情况下，需要将模型中的细小结构，如小孔、沟槽、倒圆角等特征尽可能的简化，以减少计算量。

（2）相对商业CAD软件而言，ANSYS的实体建模功能较为薄弱。对规模庞大，结构复杂，尤其当纸浆模塑包装制品模型中含有大量不规则曲线和曲面时，使用ANSYS软件建立实体模型往往会非常复杂，此时需要对模型进行简化与修改，加上复杂模型的网格划分很难通过ANSYS中的布尔操作对其进行有效分割，从而使得有限元模型的生成比较困难[47-48]。因此，今后如有必要，可以先在UG中实现实体模型的建立、有限元模型的生成、设置材料属性、划分网格等相关操作，并将生成的INP文件导入ANSYS中进行解算分析，以克服上述问题。

（3）CAD软件和ANSYS各自存在着自己的单位制，所以在加载时需注意纸浆模塑制品模型相应尺寸的变化，这给分析带来了很大的麻烦，不利于快速操作[49]，再加上模型从CAD软件导入ANSYS过程中可能造成数据的丢失。因此，今后对简单模型尽可能运用ANSYS软件建模的同时，仍需对软件建模功能进行优化处理，这样才能使结果更加精确、合理。

5 结语

绿色包装理念已成为全世界包装行业的主旋律，越来越多对环境有污染的包装材料正在逐渐淡出人们的生活。纸浆模塑包装制品作为最典型的绿色包装材料已成为业内专家学者研究的热点，开发低成本、高附加值、绿色环保、应用安全的各类型纸浆模塑包装制品已成为迫切需要解决的问题。ANSYS作为大型通用有限元分析软件，由于其功能齐全、结构开放交互、图形功能强大、算法先进等特点，近年来在纸浆模塑包装制品研发中得到了广泛关注。ANSYS软件能够对纸浆模塑包装制品在各种外荷载条件下的变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，从力学计算、组合结构等方面提出较全面的解决方案，是缩短产品开发周期、降低成本、解决复杂力学问题的有效手段，是揭示纸浆模塑材料成型机理的重要方法。

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Application of ANSYS in Mechanical Analysis of Molded Pulp Packaging Products

Tang Jie,Xiao Shengling,Wang Quanliang,Lu Xinzong,LiCan
(Northeast University of Forestry,Harbin 150040,China)

In this paper,in connection with the characteristics of the molded pulp packaging products,we introduced the application of the finite element ANSYS software in the static and dynamic analysis of the molded pulp packaging products.In terms of the static analysis, we introduced the application of the finite element ANSYS software in the mechanical analysis of the molded pulp packaging products while in terms of the dynamic analysis,we introduced in detail the application of the transient dynamic analysis and random vibration analysis in the mechanics of these products.At the end,we modified the shortcomings of the ANSYS software in the analysis of the molded pulp packaging products.

ANSYS software;molded pulp packaging product;mechanical analysis;static analysis;dynamic analysis

TB485

A

1005-152X(2016)11-0061-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.11.014

2016-09-27

国家林业公益性行业科研专项（201304506）

唐杰（1991-），男，湖南新邵人，东北林业大学研究生，主要研究方向：物流工程；肖生苓（1961-），通讯作者，女，黑龙江哈尔滨人，博士，东北林业大学教授，主要研究方向：物流工程与生物质材料。