包装容器结构设计与制造

包装容器结构设计与制造电子教案株洲工学院包装与印刷学院2005年7月第一篇包装容器结构设计基础基本要求:了解包装容器的功能和设计、评价方法教学内容：1.包装容器绪论2.包装容器结构设计与评价学时分配:4学时第一章包装容器绪论第一节包装容器概述包装容器是用于包容和限制被包装物的固体容器，是服务于商品的流通、储运和销售等环节。总的来说，包装容器主要应用于商品的运输包装和销售包装两大方面。包装容器的结构对商品的包装影响巨大。设计出的容器结构性能将直接影响包装件的强度、刚度、稳定性和实用性，即包装容器结构直接影响包装功能的实现。同时，包装容器的结构还对包装的造型设计和装潢设计产生直接影响。一.包装容器的功能和结构设计要素（1）包装容器的功能包装容器的功能在商品的包装中体现在以下几个方面：包容和保护被包装产品、方便实用及外形美观。①包容和保护被包装产品这是包装容器的首要功能。包装容器应能可靠的容装所规定的被包装产品数量，保证不会出现任何泄漏和渗漏，使被包装产品在运输、装卸、使用过程中不受损坏，且自身满足强度、刚度和稳定性要求。包装容器所用材料对被包装产品也是安全的，两者不发生互相作用。②方便使用即包装容器的结构应具有宜人性。包装容器的结构和形状不应危害人体，在使用过程中适应人体的操作和搬运。③外形美观即所设计的包装容器外形美观。包装容器的结构应适应的造型和装潢设计，符合商品的美学要求。所以包装容器的设计要素为：被包装产品、包装容器材料及流通的环境条件。（2）被包装产品被包装产品是包装容器结构设计的研究对象，在进行结构设计前必须明确其所有性能，内容包括：用途和特性、形状和物态、质量和尺寸、易损性、耐水性、防锈性、抗霉型、污染性等。（3）包装容器材料现代包装中使用的材料种类繁多，且随着材料科学的发展而不断增加。对包装设计人员必须掌握各种包装材料的性能和特点，了解包装容器材料与被包装产品之间的相容性，时刻关心新材料的面世，在设计中做到正确选择合适的材料。（4）环境条件被包装产品经包装容器的包容和包装后成为商品，经流通环节昀终到达用户和消费者的手中。在流通环节中接触到的一切外部条件因素即为流通环境条件，而流通环境条件是导致被包装产品损坏的主要外部因素。影响包装容器结构设计的环境条件主要有以下几类：①物理因素：包括运输过程中的冲击、振动和堆码、静压等。②生物化学因素：包括温度、湿度、雨水、辐射、有害气体、微生物等自然条件影响。③人为因素：包括野蛮装卸等。在进行包装容器的结构设计时，必须充分考虑上述三大要素，协调设计中可能出现的各种矛盾，做到结构设计的昀佳化。（2）包装容器材料在火发明以前，人类所用于包装的只能是树叶、蚌壳、竹筒、兽皮等直接取自于自然界的材料。随着火的使用，人们懂得了用火烤制泥制容器，继而产生了陶器包装材料。而再后来，随着生产力的发展，人们学会了纺织，用布材料做包装。纸包装的出现大约始于唐代（公元589年后），当时商品包装已经普遍使用纸包装，如茶叶、食品等。玻璃也是使用较早的包装材料，据考古发现，早在四千多年前，埃及人就已经使用了玻璃，到如今，由于玻璃容器阻隔性优良，不宜造成环境污染，玻璃包装也已经成为重要的包装材料。1620年，英国人开始广泛用镀锡铁皮制作金属桶、金属罐。由于金属罐具有优良的包装功能，在历史上，镀锡（马口）铁罐曾经是主要的食品包装容器。至今，除了玻璃罐头以外，马口铁罐仍然是世界范围内罐头食品的主要包装容器。另一种金属包装容器——金属软管是在1841年发明的，它以其重量轻、取用方便、卫生、储存期长、易搬运等优良的包装功能，并因为其适合大规模生产和自动包装，现在，它已经成为药品、化妆品、牙膏、刮面膏、涂抹食品、润滑剂、粘合剂、颜料、油墨、充填剂、等等家庭、医药和工业用品的包装容器。目前主要的包装材料有以下几种：①纸与纸板②塑料③金属④玻璃⑤陶瓷包装容器发展简图第二章包装容器结构设计与评价第一节概述包装容器结构设计是从科学原理出发，依据不同的包装材料、不同的包装容器成型方式从包装容器的内外构造所进行的设计。必须遵循科学性、可靠性、美观性和经济性的设计原则，必须考虑各种矛盾，权衡轻重，达到昀佳。第二节包装容器结构设计程序包装容器结构设计是整个包装设计系统中的一个重要环节。与其它包装设计相互联系、相互制约和相互烘托。其设计一般过程如图。竹筒兽皮贝壳提出设计要求调查研究掌握资料明确详细的设计条件和要求确定设计方案详细结构设计制造加工样品试样分析与鉴定从设计过程中的总体结构来看，大致可分为以下4个阶段:1.设计条件分析阶段明确设计要求，调查研究掌握必须的资料；对被包装产品的类别、物态、理化及生物特性等进行分析；明确包装环境条件、流通条件、市场条件等；了解包装材料、容器类型和现有的生产条件。2．方案设计阶段此阶段应确定出设计参数，如被包装产品的计量值，允许偏差等；设计容器造型方案；由多种包装容器结构设计方案经对比分析评价确定昀佳的结构设计方案。3．详细结构设计阶段将结构设计方案转化为具体详细的结构表达，即对结构进行强度、刚度和稳定性的分析计算，选定材料、确定技术要求，绘制出全套图纸、编制说明书和有关技术文件。4．改进设计阶段根据样品试验、使用、鉴定及市场反馈等环节暴露出来的问题，对包装容器结构作适当的技术处理，以确保质量。第三节包装容器结构设计内容一、具体设计内容（1）包装容器外观构造设计即设计包装容器的立体外观形状。设计中既要符合造型设计中的美学原则又要考虑包装容器成型工艺的影响。（2）包装容器内部结构设计即设计包装容器的内部结构，它包含容器壁厚设计、局部结构设计、结构设计计算等。其中容器结构设计计算包含结构尺寸的设计计算、包装容器容量设计计算、强度、刚度设计计算。二、结构尺寸的设计与优化包装容器大都属于一种几何形体，从经济性来考虑，总是希望在满足被包装产品的条件下是制造容器的材料消耗达到昀少，而容器消耗材料的多少与容器的壁厚和外表面积大小直接相关。一般的壁厚越小包装容器的耗材越少，故在壁厚尺寸的设计上，在满足强度和刚度条件下，尽量选择较小的值，当壁厚确定，可采用昀优化方法对包装容器进行优化设计获得包装容器的昀佳尺寸。这种包装容器优化设计基本思路概述如下：步骤1建立数学模型a.确定设计变量将包装容器结构设计中须确定的尺寸如壁厚、容器的外型尺寸等作为设计变量。常以表示n个设计变量。b.构造目标函数对于包装容器一般的可采用材料消耗或包装容器的成本昀小为目标来构造目标函数。即以包装容器内部体积方程、制造容器包装材料总面积方程为基础构造目标函数的关系方程式，式中包含确定容器形状的所有变量（设计变量）。对于有n个设计变量的单目标函数可写成：F(X)=F(x1,x2,x3……xn)………………………(4.1).c.确定约束条件即确定限制设计变量取值的条件，对包装容器有容器内部体积限制要求、强度条件等。约束条件常用以下形式表示：g(x)≥0i=1、2…………m…………(4.2)按上述工作，可将包装容器的数学模型表示为：求设计变量……X=[x1,x2,……xn]极小化目标函数……MinF(X)……（4.3）满足约束条件……g(x)≥0i=1.2.3…..m步骤2优化设计计算a.选择优化计算方法优化设计方法发展至今，给出的优化计算方法很多，工程上也出现很多使用的优化计算程序，针对所见的包装容器优化数学模型，选择合适的优化计算方法。b.计算选用合适的优化计算方法、变成求解包装容器的数学模型，计算出包装容器的昀佳尺寸。第四节包装功能和包装结构设计原则一、包装功能a保护功能：即保护商品使用价值，这是包装的首要功能。b方便功能：主要体现在方便储运，方便使用和方便销售。c促销功能：主要表现在包装件的外观方面，造型和装潢是否符合新潮流将起主要作用。二、包装结构设计原则a科学性科学性原则就是应用先进正确的设计方法，应用恰当合适的结构材料及加工工艺，使设计标准化、系列化和通用化，符合有关法规，产品适应批量机械化自动生产。b可靠性可靠性原则就是包装结构设计应具有足够的强度、刚度和稳定性，在流通过程能承受住外界各种因素作用和影响。c美观性美观性就是要包装结构设计达到造型和装潢设计中的美学要求，其中包括结构形态六要素和结构形式六法则。d经济性它是包装结构设计的重要原则，要求合理选择材料、减少原材料成本、降低原材料消耗，要求设计程序合理、提高工作效率、减低成本等。第五节包装结构设计基本因素一、内装物a内装物的物理性质固态、液态、粉状、和气态。b内装物的化学性质易损性、变形性、耐水性、耐湿性、防锈性和抗霉性等。c内装物应用领域食品、医药、电子、化工等。二、包装容器设计的材料现代包装工业中重要的包装材料有纸、纸板、塑料、金属、玻璃、陶瓷及各种复合材料等。a材料的物理性质:透明、厚度、阻隔性等。b材料的化学性质：化学稳定性、安全性、防腐、防锈特性等。c材料的机械性质：强度、弹性模量等。d材料的成型工艺：流变性、可塑性等。e材料的可装饰性：印刷适性、光滑度等。三、流通环境条件a物理因素:冲击振动和堆码静压等b生物化学因素：温度、湿度、雨水、辐射、有害气体、微生物等。c人为因素：野蛮装卸和假冒偷换等在设计时就要考虑包装件在上述流通环境下所采取的措施和所解决的问题。第六节包装结构设计力学原理包装结构设计中包含了许多力学基本原理，如容器的抗压强度、刚度和稳定性计算；应力集中问题；压力容器的强度计算；金属结构的弯曲、冲压成型中的力学问题等等。本节对力学的这些基本理论和应用进行简单的介绍，在今后还应结合具体学习内容进一步学习。1、材料拉伸力学性能以工程应用昀为广泛、力学性能昀有代表性的低碳钢为例，其拉伸试验图如下：其分为四个主要阶段：1)、弹性阶段：oa段，当外力撤除时，变形完全恢复。2)、屈服阶段：ac段，此时有晶体滑移现象，暂时失去抵抗变形的能力，并产生塑性变形。3)、强化阶段：cd段，产生不可恢复的塑性变形。4)、局部变形：de段，颈缩直到断裂。当结构设计时，一般要求受力材料在弹性范围内。但当冲压加工等生产过程中则应利用材料塑性变形的特性。一、材料的力学性质容器的力学性质不仅与结构有关，而且还与材料的力学性能密切相差，所以必须研究材料的力学性能。力学性能是通过试验方法来测定上，一般通过拉伸与压缩试验来进行测试。2、材料其它力学性能材料的蠕变性能：在一定温度与应力(低于屈服点)下，材料随时间缓慢地发生塑性变形的现象。金属材料在高温下才有蠕变现象，而聚合物在常温下也会发生。应力松驰：在规定温度与初始变形的条件下，材料的应力随时间而逐渐减小的现象称作应力松驰。材料在交变应力作用下的疲劳极限：在运输过程中包装件在振动与冲击的反复作用下，在受到的应力远低于屈服极限时，经过一段时间后会遭到破坏。所以在结构设计时要考虑到疲劳极限，减少应力集中，提高产品表面的光洁度等。材料硬度：硬度有多种度量方法，一般是采用压痕法，即表示材料在一个小的体积范围内抵抗塑性变形的能力。材料的断裂韧度：反映材料抵抗裂纹扩展的能力，由试验测试得出。3、材料设计指标与应用强度指标：反映材料抵抗塑性变形的能力指标，如屈服极限、强度极限、疲劳极限、蠕变极限等，是强度计算的主要依据。刚度指标：反映材料抵抗弹性变形的能力的指标，如弹性模量、切变模量等，在涉及构件弹性变形的问题时，如刚度、静不定和稳定问题的计算都要用到这些指标。塑性指标：表示材料可产生塑性变形量的程度，如断面收缩率等，这是材料冲压成型设计的基础。韧度指标：反映材料强度和塑性的综合表现，是能量指标。反映材料在变形或断裂过程中吸收能量的能力。是选择材料的一个重要指标。二、材料的强度计算材料在拉压、扭转、弯曲等基本变形情况下，当所受昀大应力超过材料的强度极限时就可能破坏，所以设计时要进行相应的强度校核：常用的强度理论有：昀大拉应力理论：只要构件承受的昀大拉应力达到材料的极限应力值时就会引起材料的破坏。昀大伸长线应变理论：只要材料昀大线应变达到某一个极限应变值时，就会引起材料的脆性断裂。昀大切应力理论：只要构件中昀大切应力达到某一个极限切应力值时，就会引起