《金属包装设计与制造》（19）

金属包装容器有限元分析实例

文/吴若梅、刘跃军

金属包装容器的设计要综合考虑其用途、载荷、强度、寿命等因素。下面分别以金属包装中应用最为广泛的易拉罐与金属桶为例，介绍利用ANSYS软件进行分析的过程。

一、金属罐分析实例

从经济性的角度考虑，设计铝制易拉罐时，在满足加工工艺要求及使用要求的前提下，易拉罐消耗的材料要尽最的少，罐体、罐底及罐盖的壁厚要尽最薄。从使用角度考虑，在饮用易拉罐包装的饮料时，易拉罐一般底部朝下放詈，如果底部出现中间凸起的现象，易拉罐就会放置不稳，因此底部结构应该设计为中间凹的形状。在灌装时，易拉罐底部要具有足够的承压强度，不会出现向外凸起的情况。

1、问题的表述

下面以如图9-1所示的易拉罐为例，介绍易拉罐承受内压0.15MPa情况下罐体底部及顶盖结构的变形情况。该易拉罐的结构简图如图9-2所示，底部凹底结构，顶部平底结构，顶盖厚度0.38mm,罐体及罐底厚度均为0.21mm。材料根据铝的性能参数进行设定，弹性模最68GPa,泊松比为0.35。

2、分析步骤

下面介绍一下利用ANSYS软件，计算该易拉罐在内部0.15MPa压力下罐底及罐盖的变形情况，对比一下平底与凹底的承压能力。

(1) 前处理

①几何建模。按照如图9-2所示的结构尺寸建立易拉罐的几何模型，面模型如图9-3所示。

②选择单元。总体上，该易拉罐为均匀厚度的薄壁结构，因此选择壳单元Shell181单元进行模拟，如图9-4所示。

③定义材料。易拉罐材料为弹性模量6.8el0Pa,泊松比0.35,其定义如图9-5所示。

④定义单元厚度。罐盖厚度定义为0.00038,罐底及罐身定义为0.00021,如图9-6所示。

⑤单元网格划分。将上述步骤定义的材料属性、单元属性及厚度属性分别赋予图9-3中易拉罐的罐身、罐盖、罐底，然后执行网格划分，得到易拉罐的有限元模型，如图9-7所示。

⑥载荷施加。将内部压力0.15MPa施加到易拉罐内部的腔壁上，如图9-8所示。

(2) 求解

利用ANSYS的求解模块进行，选择分析类型为静态分析，确定分析参数无误后，计算过程计算机自动进行。

(3) 后处理

后处理是对计算结果进行数据处理及分析。提取易拉罐节点Y向位移结果，如图9-9所示，罐盖中部的变形最大，而罐底的变形较小。

可以分别对罐盖和罐底的变形量进行分析，罐盖的节点变形如图9-10所示，图中表明罐盖中部相对于罐盖边缘部位的变形量为4.146mm。如图9-11所示为罐底的变形图，罐底中部相对于罐底边缘部位的变形量为0.627mm。由分析可知，罐底变形量远小于罐盖。

本例目的在于计算罐盖及罐底在内压作用下的总体变形，建立的是易拉罐的简化模型。如果要分析易拉罐的应力情况，则需要建立更精确的几何模型，尤其要考虑各个过渡面的圆角，因为应力集中部位往往发生在圆角处。总之，根据不同的分析目的建立不同的模型。

本案例的分析过程及步骤，请同学们参考《ANSYS 包装工程应用实例解析》中的易拉罐结构分析实例。

二、金属桶的有限元分析实例

钢桶广泛应用于工业产品的包装及储运，钢桶的机械性能优良、强度高、耐压、不易破损。使内装的产品安全性有了可靠的保障，并便于贮存、运输、装卸和使用。钢桶具有极优良的综合防护性能，其阻气性、防潮性、遮光性和保质性优于塑料、纸等其他类型的包装容器。钢桶材料丰富，能耗和成本也比较低，具有重复可回收性，从环境保护方面，是理想的绿色包装容器。对于大型金属包装容器，往往要承受堆码载荷、运输时的横向冲击作用力及装卸过程中的冲击力的作用。通过恰当的结构设计，能够使金属桶既充分发挥钢材的性能优点，又实现减量化设计的目标。

1、问题的表述

大型金属桶在流通过程中承受的载荷比较大，为提高强度及刚度，大型金属桶常设有箍筋、波纹等结构。本例以图9-12所示的钢桶为例，介绍了钢桶侧壁在承受横向集中载荷的情况下，不同的桶壁结构形式对承载强度的影响。为了简化分析过程，本例将钢桶的上部桶壁结构设计成光滑结构，下部桶壁结构设计成环筋结构。钢桶的桶盖、桶身、桶底厚度均为1mm,拟采用SHELL181单元进行模拟，材料根据钢的性能参数进行设定，弹性模量2.01X1010Pa,泊松比为0.3。

有限元分析思路：为简化分析，建立几何模型时，本例忽略了钢桶卷边结构、波纹结构、以及桶口结构的建模，只分析环筋结构对钢桶承载能力的影响。

2、基本分析步骤

(1) 前处理

前处理包括：建立几何模型如图9-12所示；有限元网格划分，如图9-13所示。选定分析单元如图9-14所示；定义钢桶的材料性能如图9-15所示；设定单元厚度0.001m。

对于载荷及约束施加，本案例模拟的是钢桶在滚动时侧面压到地面上的突出物，或运输过程中侧面局部承受到横向力的工况。对于钢桶的侧壁局部施加力载荷，对上下桶底施加固定约束，如图9-16所示。

(2) 求解

本案例为静力分析，因此设定静力分析类型后进行求解。

(3) 后处理

提取钢桶应力分析结果如图9-17所示，其表明，钢桶光滑桶壁加载部位的应力远远大于环筋加载部位的应力，因此环筋结构能够显著提高桶壁的承载能力。

本案例的详细分析过程及步骤，请同学们参考《ANSYS包装工程应用实例解析》中的金属桶分析实例。