塑料包裝是最常見(jiàn)的包裝形式，具有防潮隔濕，壽命長(cháng)，可塑性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于食品藥品、電子機械產(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)足塑料包裝結構設計既符合產(chǎn)品的功能需求、美學(xué)要求、人機工程學(xué)要求，又符合塑料結構件的成型工藝要求，需要借助計算機輔助手段進(jìn)行設計。在設計的同時(shí)，使用計算機輔助工程(CAE)進(jìn)行模擬和優(yōu)化。塑料包裝設計是計算機輔助設計(CAD)與CAE模擬仿真交替進(jìn)行，不斷重復，直至確定最佳設計方案。

廣泛應用于現代包裝設計的CAD技術(shù)，已經(jīng)可以實(shí)現對包裝材料緩沖設計，并將設計方案繪制進(jìn)行三維展示，以及最后的打樣。根據繪圖環(huán)境的不同分為二維CAD和三維CAD。其中，二維CAD主要進(jìn)行二維圖形的設計，三維CAD主要進(jìn)行三維實(shí)體造型設計。包裝設計中常用的二維CAD軟件是AutoCAD軟件。1982年，美國Autodesk公司首次推出了AutoCAD軟件。AutoCAD軟件具有開(kāi)放的體系結構，允許用戶(hù)進(jìn)行修改擴充，已經(jīng)在實(shí)際應用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)出基于A(yíng)utoCAD的實(shí)際應用軟件。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)行三維造型設計，再運用其工程制圖模塊導出二維工程圖，然后將其導入專(zhuān)用的二維CAD軟件中進(jìn)行修改、尺寸標注等二維設計，生成最終的二維圖紙。常用對塑料包裝模具進(jìn)行有限元分析的軟件是美國Ansys公司開(kāi)發(fā)的Ansys軟件。Ansys軟件可以進(jìn)行結構應力分析、成型過(guò)程的流體分析以及熱分析等。

1 AutoCAD軟件應用于管式折疊硬質(zhì)塑料包裝盒的外形設計

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

2 基于Pro/E軟件的塑料飲料瓶設計

Pro/E軟件由美國參數化技術(shù)公司開(kāi)發(fā)，具有參數化設計、模塊化、給予特征建模、單一數據庫等特點(diǎn)。首先用Pro/E軟件勾勒出飲料瓶輪廓圖形，再對瓶體進(jìn)行回轉截面設計，確立關(guān)鍵參數進(jìn)行控制后執行旋轉命令，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 )出現裂痕，且不安全，采用Pro/E軟件中倒圓角命令，對尖銳拐角光滑處理。此時(shí)，瓶體的基本功能可以滿(mǎn)足。功能設計完成后還要滿(mǎn)足特征設計。為體現瓶?jì)蕊嬃系奶匦?，需要在瓶體上設置特殊圖形。在瓶體軸剖面中設圖案二維造型，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出三維曲線(xiàn)，借助曲面混合特征，設計出圖案的三維結構。為使瓶體保持最初的形狀，防止運輸過(guò)程中發(fā)生形變損壞，需要一定的結構強度，因此，在瓶底設計星型突狀結構。采用掃描剪切命令，在瓶軸剖面創(chuàng )建掃描軌跡線(xiàn)，截面設計為圓形，截面沿軌跡線(xiàn)運動(dòng)，在瓶體底部創(chuàng )建內凹圓弧槽，完成星型加強設計。實(shí)體特征設計完成后，需要對瓶體薄殼化處理。先進(jìn)行抽殼處理使得瓶體壁厚均勻，對瓶體進(jìn)行等厚偏移即可制出所需厚度的瓶體。對于瓶口的設計，由于瓶口是螺紋結構，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軟件參數化建模，確定特征命令并輸入參數，即可方便地設計出飲料包裝瓶。效果圖能在PDF文件查看，并且可以進(jìn)行旋轉和平移等操作來(lái)優(yōu)化設計流程，很方便地開(kāi)發(fā)出系列化產(chǎn)品，減少打樣環(huán)節，縮短開(kāi)發(fā)周期。

3 SolidWorks軟件應用于塑料包裝瓶的造型設計及有限元分析

3.1 塑料包裝瓶的造型設計

SolidWorks軟件是法國達索系統公司旗下的子公司SolidWorks公司開(kāi)發(fā)的三維CAD軟件，具有零件建模、曲面建模、鈑金設計等模塊。運用SolidWorks軟件可以方便地對塑料包裝瓶進(jìn)行三維造型和有限元分析。

首先對塑料包裝瓶的結構參數化，建立特征模型。SolidWorks軟件中零件的參數化設計可通過(guò)內嵌的圖表文件Excel中指定參數來(lái)創(chuàng )建，也可以通過(guò)程序的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現參數化設計。中空塑料瓶幾何形狀相似，大小尺寸不同，輸入參數得到不同尺寸的中空塑料瓶結構， 使結構設計可以重復。系統會(huì )在編輯好的驅動(dòng)函數調用下，根據對話(huà)框中的參數， 進(jìn)行自動(dòng)建模和尺寸控制，并運行宏錄制命令，錄制整個(gè)建模過(guò)程。

對保存的宏文件進(jìn)行整理，保留變量聲明、程序入口、程序運行、基準面選擇、圖形插入以及特征創(chuàng )建等代碼，進(jìn)行錄制整理調試，調用Solidworks軟件中的應用程序接口(API)函數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，需要對材質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量特性分析?？梢允褂媚Ｐ吞卣鳂?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)。調節環(huán)境參數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)化了容器結構設計和圖形繪制，提高了設計效率。

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、靜應力、密封試驗等分析。碳酸飲料包裝瓶?jì)炔坑泄嘌b壓力，需要進(jìn)行耐內壓強度模擬測試。點(diǎn)擊軟件中的Simulation插件，選取所應用的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)材質(zhì)，包裝瓶就會(huì )被賦予相應材料的特性。設定內邊線(xiàn)固定的瓶體截面，設定所需壓強。采用系統自動(dòng)加密網(wǎng)格化參數生成網(wǎng)格，運行測試。例如：苗洪濤等[10］通過(guò)使用Simulation插件對碳酸飲料瓶進(jìn)行有限元分析，確定了瓶底增加的厚度，并對設計內凹瓶底進(jìn)行結構優(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壓強度的有限元分析，可以對塑料碳酸飲料瓶、中空塑料包裝容器結構、包裝容器所使用材料的合理性以及容器耐壓載荷進(jìn)行測試，提高生產(chǎn)效率。

4 基于A(yíng)nsys軟件的軟塑包裝熱封強度分析

應用于牙膏等的軟管包裝，熱封強度對軟塑包裝材料是重要的性能指標。夏晶晶等［13］使用Ansys軟件中有限元分析方法對軟塑管的熱封溫度、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，分析了內部氣壓、管尾厚度、管尾長(cháng)度、管身長(cháng)度以及材料物理性質(zhì)對熱封口強度的影響。結果表明：材料密度不會(huì )導致熱封失效，同時(shí)確定了管壁厚度為0.4～0.5 mm、管身長(cháng)度為65.0～70.0 mm，管尾長(cháng)度為44.0～54.0mm，滿(mǎn)足軟塑包裝熱封強度的要求。

5 應用于生鮮農產(chǎn)品氣調包裝CAD系統

曹菲使用CAD對果蔬的氣調包裝進(jìn)行研究，建立數學(xué)模型，在果蔬產(chǎn)品呼吸速度模型和塑料薄膜透氣性數據庫的基礎上，開(kāi)發(fā)出果蔬氣調包裝CAD系統。

常見(jiàn)的生鮮產(chǎn)品采用薄膜包裝。根據食品種類(lèi)、保藏要求及包裝材料進(jìn)行恰當選擇，為確保包裝食品保險質(zhì)量高、營(yíng)養成分好，可以采用真空包裝或氣調包裝。例如：選用阻隔性能和機械性能良好的聚碳酸亞丙基酯(PPC)/聚乙烯醇(PVA)/PPC復合膜，對冷鮮肉進(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(cháng)至19天，也可以對冷鮮肉進(jìn)行充氣包裝(O2的體積分數為50％，CO2的體積分數為25％，N2的體積分數為25％)，由PPC/PVA/PPC復合膜和聚酰胺(PA)/聚乙烯膜包裝的冷鮮肉貨架期均可達到23天。將非可降解材料PA和低密度聚乙烯(LDPE)制備成LDPE/PA/LDPE復合膜用于新鮮鱸魚(yú)的氣調包裝(O2的體積分數為10％，CO2的體積分數為60％，N2的體積分數為30％)，貨架期可延長(cháng)至17天。用PET/乙烯-乙烯醇(EVOH)/LDPE復合膜對切碎的牛肉進(jìn)行氣調包裝(O2的體積分數為50％，CO2的體積分數為30％，N2的體積分數為20％)，貨架期可延長(cháng)到40天。

果蔬氣調包裝CAD系統確定了在一定溫度條件下，適合于氣調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)品的氣調包裝設計。例如：對產(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)果蔬氣調包裝CAD系統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，氣調的O2透氣系數為1 452 mL·μm/[m2·h·(0.1 MPa)］，CO2透氣系數為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。