塑料包裝是最常見(jiàn)的包裝形式，具有防潮隔濕，壽命長(zhǎng)，可塑性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品藥品、電子機(jī)械產(chǎn)品和日用商品等包裝。塑料包裝有軟包裝和硬包裝之分。一般將薄膜厚度在0.25 mm以下的片狀塑料包裝定義為軟包裝。硬包裝以容器形式居多。為滿(mǎn)足塑料包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既符合產(chǎn)品的功能需求、美學(xué)要求、人機(jī)工程學(xué)要求，又符合塑料結(jié)構(gòu)件的成型工藝要求，需要借助計(jì)算機(jī)輔助手段進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的同時(shí)，使用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)進(jìn)行模擬和優(yōu)化。塑料包裝設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)與CAE模擬仿真交替進(jìn)行，不斷重復(fù)，直至確定最佳設(shè)計(jì)方案。

廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代包裝設(shè)計(jì)的CAD技術(shù)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝材料緩沖設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)方案繪制進(jìn)行三維展示，以及最后的打樣。根據(jù)繪圖環(huán)境的不同分為二維CAD和三維CAD。其中，二維CAD主要進(jìn)行二維圖形的設(shè)計(jì)，三維CAD主要進(jìn)行三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)。包裝設(shè)計(jì)中常用的二維CAD軟件是AutoCAD軟件。1982年，美國(guó)Autodesk公司首次推出了AutoCAD軟件。AutoCAD軟件具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，允許用戶(hù)進(jìn)行修改擴(kuò)充，已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)出基于AutoCAD的實(shí)際應(yīng)用軟件。常用的三維CAD軟件有Pro/E，SolidWorks等。通常先利用三維CAD軟件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，再運(yùn)用其工程制圖模塊導(dǎo)出二維工程圖，然后將其導(dǎo)入專(zhuān)用的二維CAD軟件中進(jìn)行修改、尺寸標(biāo)注等二維設(shè)計(jì)，生成最終的二維圖紙。常用對(duì)塑料包裝模具進(jìn)行有限元分析的軟件是美國(guó)Ansys公司開(kāi)發(fā)的Ansys軟件。Ansys軟件可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、成型過(guò)程的流體分析以及熱分析等。

1 AutoCAD軟件應(yīng)用于管式折疊硬質(zhì)塑料包裝盒的外形設(shè)計(jì)

對(duì)于包裝行業(yè)，CAD軟件功能包括盒型庫(kù)、繪圖功能、自動(dòng)標(biāo)注尺寸、模擬折盒、自動(dòng)拼版等。在管式折疊硬質(zhì)塑料包裝盒的設(shè)計(jì)程序中，盒體采用二維作圖，將平面劃為X軸和Y軸，繪圖設(shè)計(jì)以坐標(biāo)軸為準(zhǔn)，將盒體不同點(diǎn)之間的線(xiàn)性關(guān)系用函數(shù)表示。使用AutoCAD軟件自動(dòng)篩選，得到盒體成型所需的預(yù)折線(xiàn)和作業(yè)線(xiàn)。盒底設(shè)計(jì)時(shí)使用AutoCAD軟件中包含的繪圖命令，根據(jù)尺寸參數(shù)畫(huà)出剪裁線(xiàn)的長(zhǎng)度和寬度。盒蓋是獨(dú)立結(jié)構(gòu)，起密封作用。盒蓋的結(jié)構(gòu)有密封式、抽插式和黏合式。在編程時(shí)可采用盒底鏡像編程，盒蓋多余結(jié)構(gòu)根據(jù)尺寸參數(shù)另行編程。然后運(yùn)行繪圖指令直至運(yùn)行成功。使用AutoCAD軟件中的接口輸出設(shè)計(jì)圖樣。將以上設(shè)計(jì)出的管式折疊硬質(zhì)塑料包裝系統(tǒng)安裝在Windows XP系統(tǒng)中，程序設(shè)計(jì)完成后可以進(jìn)行仿真試驗(yàn)。使用AutoCAD軟件對(duì)管式折疊塑料包裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以提高設(shè)計(jì)效率，減少生產(chǎn)成本。

2 基于Pro/E軟件的塑料飲料瓶設(shè)計(jì)

Pro/E軟件由美國(guó)參數(shù)化技術(shù)公司開(kāi)發(fā)，具有參數(shù)化設(shè)計(jì)、模塊化、給予特征建模、單一數(shù)據(jù)庫(kù)等特點(diǎn)。首先用Pro/E軟件勾勒出飲料瓶輪廓圖形，再對(duì)瓶體進(jìn)行回轉(zhuǎn)截面設(shè)計(jì)，確立關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制后執(zhí)行旋轉(zhuǎn)命令，得到瓶體基體三維模型。由于瓶體拐角尖銳，制作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)裂痕，且不安全，采用Pro/E軟件中倒圓角命令，對(duì)尖銳拐角光滑處理。此時(shí)，瓶體的基本功能可以滿(mǎn)足。功能設(shè)計(jì)完成后還要滿(mǎn)足特征設(shè)計(jì)。為體現(xiàn)瓶?jī)?nèi)飲料的特性，需要在瓶體上設(shè)置特殊圖形。在瓶體軸剖面中設(shè)圖案二維造型，再利用投影命令將圖案的輪廓投影到瓶體，輪廓隨瓶體變化呈現(xiàn)出三維曲線(xiàn)，借助曲面混合特征，設(shè)計(jì)出圖案的三維結(jié)構(gòu)。為使瓶體保持最初的形狀，防止運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生形變損壞，需要一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，在瓶底設(shè)計(jì)星型突狀結(jié)構(gòu)。采用掃描剪切命令，在瓶軸剖面創(chuàng)建掃描軌跡線(xiàn)，截面設(shè)計(jì)為圓形，截面沿軌跡線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在瓶體底部創(chuàng)建內(nèi)凹圓弧槽，完成星型加強(qiáng)設(shè)計(jì)。實(shí)體特征設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)瓶體薄殼化處理。先進(jìn)行抽殼處理使得瓶體壁厚均勻，對(duì)瓶體進(jìn)行等厚偏移即可制出所需厚度的瓶體。對(duì)于瓶口的設(shè)計(jì)，由于瓶口是螺紋結(jié)構(gòu)，可以利用Pro/E軟件螺旋掃描功能。確定掃描軌跡、螺距及螺紋截面形狀。由此，使用Pro/E軟件參數(shù)化建模，確定特征命令并輸入?yún)?shù)，即可方便地設(shè)計(jì)出飲料包裝瓶。效果圖能在PDF文件查看，并且可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移等操作來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，很方便地開(kāi)發(fā)出系列化產(chǎn)品，減少打樣環(huán)節(jié)，縮短開(kāi)發(fā)周期。

3 SolidWorks軟件應(yīng)用于塑料包裝瓶的造型設(shè)計(jì)及有限元分析

3.1 塑料包裝瓶的造型設(shè)計(jì)

SolidWorks軟件是法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司旗下的子公司SolidWorks公司開(kāi)發(fā)的三維CAD軟件，具有零件建模、曲面建模、鈑金設(shè)計(jì)等模塊。運(yùn)用SolidWorks軟件可以方便地對(duì)塑料包裝瓶進(jìn)行三維造型和有限元分析。

首先對(duì)塑料包裝瓶的結(jié)構(gòu)參數(shù)化，建立特征模型。SolidWorks軟件中零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)可通過(guò)內(nèi)嵌的圖表文件Excel中指定參數(shù)來(lái)創(chuàng)建，也可以通過(guò)程序的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。中空塑料瓶幾何形狀相似，大小尺寸不同，輸入?yún)?shù)得到不同尺寸的中空塑料瓶結(jié)構(gòu)， 使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以重復(fù)。系統(tǒng)會(huì)在編輯好的驅(qū)動(dòng)函數(shù)調(diào)用下，根據(jù)對(duì)話(huà)框中的參數(shù)， 進(jìn)行自動(dòng)建模和尺寸控制，并運(yùn)行宏錄制命令，錄制整個(gè)建模過(guò)程。

對(duì)保存的宏文件進(jìn)行整理，保留變量聲明、程序入口、程序運(yùn)行、基準(zhǔn)面選擇、圖形插入以及特征創(chuàng)建等代碼，進(jìn)行錄制整理調(diào)試，調(diào)用Solidworks軟件中的應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)完善工程圖紙中的信息。建模后，為滿(mǎn)足生產(chǎn)中的不同需求，需要對(duì)材質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量特性分析。可以使用模型特征樹(shù)進(jìn)行材料選擇，也可加載SolidWorks軟件中的PhotoWorks插件選擇材質(zhì)。調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)渲染得到很好的展示效果。

SolidWorks軟件可以自動(dòng)生成所需的包裝容器的三維實(shí)體模型，簡(jiǎn)化了容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圖形繪制，提高了設(shè)計(jì)效率。

3.2 有限元分析

使用SolidWorks軟件自帶的Simulation插件進(jìn)行有限元分析，可以自動(dòng)生成網(wǎng)格，進(jìn)行跌落試驗(yàn)、靜應(yīng)力、密封試驗(yàn)等分析。碳酸飲料包裝瓶?jī)?nèi)部有灌裝壓力，需要進(jìn)行耐內(nèi)壓強(qiáng)度模擬測(cè)試。點(diǎn)擊軟件中的Simulation插件，選取所應(yīng)用的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)材質(zhì)，包裝瓶就會(huì)被賦予相應(yīng)材料的特性。設(shè)定內(nèi)邊線(xiàn)固定的瓶體截面，設(shè)定所需壓強(qiáng)。采用系統(tǒng)自動(dòng)加密網(wǎng)格化參數(shù)生成網(wǎng)格，運(yùn)行測(cè)試。例如：苗洪濤等[10］通過(guò)使用Simulation插件對(duì)碳酸飲料瓶進(jìn)行有限元分析，確定了瓶底增加的厚度，并對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)凹瓶底進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將包裝瓶底部厚度由2 mm改為4 mm，并作凹陷處理的優(yōu)化方案。

通過(guò)使用SolidWorks軟件的中空塑料包裝容器耐內(nèi)壓強(qiáng)度的有限元分析，可以對(duì)塑料碳酸飲料瓶、中空塑料包裝容器結(jié)構(gòu)、包裝容器所使用材料的合理性以及容器耐壓載荷進(jìn)行測(cè)試，提高生產(chǎn)效率。

4 基于Ansys軟件的軟塑包裝熱封強(qiáng)度分析

應(yīng)用于牙膏等的軟管包裝，熱封強(qiáng)度對(duì)軟塑包裝材料是重要的性能指標(biāo)。夏晶晶等［13］使用Ansys軟件中有限元分析方法對(duì)軟塑管的熱封溫度、熱封時(shí)間和熱封壓力進(jìn)行分析。將三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench軟件進(jìn)行分析。在進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析過(guò)程中，分析了內(nèi)部氣壓、管尾厚度、管尾長(zhǎng)度、管身長(zhǎng)度以及材料物理性質(zhì)對(duì)熱封口強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：材料密度不會(huì)導(dǎo)致熱封失效，同時(shí)確定了管壁厚度為0.4～0.5 mm、管身長(zhǎng)度為65.0～70.0 mm，管尾長(zhǎng)度為44.0～54.0mm，滿(mǎn)足軟塑包裝熱封強(qiáng)度的要求。

5 應(yīng)用于生鮮農(nóng)產(chǎn)品氣調(diào)包裝CAD系統(tǒng)

曹菲使用CAD對(duì)果蔬的氣調(diào)包裝進(jìn)行研究，建立數(shù)學(xué)模型，在果蔬產(chǎn)品呼吸速度模型和塑料薄膜透氣性數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出果蔬氣調(diào)包裝CAD系統(tǒng)。

常見(jiàn)的生鮮產(chǎn)品采用薄膜包裝。根據(jù)食品種類(lèi)、保藏要求及包裝材料進(jìn)行恰當(dāng)選擇，為確保包裝食品保險(xiǎn)質(zhì)量高、營(yíng)養(yǎng)成分好，可以采用真空包裝或氣調(diào)包裝。例如：選用阻隔性能和機(jī)械性能良好的聚碳酸亞丙基酯(PPC)/聚乙烯醇(PVA)/PPC復(fù)合膜，對(duì)冷鮮肉進(jìn)行真空包裝并貯藏在4 ℃環(huán)境下，冷鮮肉的貨架期可延長(zhǎng)至19天，也可以對(duì)冷鮮肉進(jìn)行充氣包裝(O2的體積分?jǐn)?shù)為50％，CO2的體積分?jǐn)?shù)為25％，N2的體積分?jǐn)?shù)為25％)，由PPC/PVA/PPC復(fù)合膜和聚酰胺(PA)/聚乙烯膜包裝的冷鮮肉貨架期均可達(dá)到23天。將非可降解材料PA和低密度聚乙烯(LDPE)制備成LDPE/PA/LDPE復(fù)合膜用于新鮮鱸魚(yú)的氣調(diào)包裝(O2的體積分?jǐn)?shù)為10％，CO2的體積分?jǐn)?shù)為60％，N2的體積分?jǐn)?shù)為30％)，貨架期可延長(zhǎng)至17天。用PET/乙烯-乙烯醇(EVOH)/LDPE復(fù)合膜對(duì)切碎的牛肉進(jìn)行氣調(diào)包裝(O2的體積分?jǐn)?shù)為50％，CO2的體積分?jǐn)?shù)為30％，N2的體積分?jǐn)?shù)為20％)，貨架期可延長(zhǎng)到40天。

果蔬氣調(diào)包裝CAD系統(tǒng)確定了在一定溫度條件下，適合于氣調(diào)包裝的薄膜材料以及薄膜的面積，薄膜的厚度，氣體平衡時(shí)間和構(gòu)成等。使用者通過(guò)CAD軟件流程操作可以快速進(jìn)行常見(jiàn)果蔬產(chǎn)品的氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)。例如：對(duì)產(chǎn)于天津市郊的新鮮尖葉菠菜進(jìn)行包裝，包裝質(zhì)量為0.23 kg。通過(guò)果蔬氣調(diào)包裝CAD系統(tǒng)選取了適合的包裝形式。包裝薄膜為聚丙烯薄膜，其厚度為32 μm，氣調(diào)的O2透氣系數(shù)為1 452 mL·μm/[m2·h·(0.1 MPa)］，CO2透氣系數(shù)為4 098 mL·μm/[m2·h·(0.1 MPa)，薄膜尺寸為35 cm×30 cm，薄膜表面積為0.21 m2。