软包装袋填充过程分析

研究产品:充满液体洗涤剂的柔性袋
分析目标:研究设计和工艺参数对机器最佳配置选择的影响

包装机械公司花大代价来开发机器以满足包装货物、包装形式或包装材料发生变化时机器仍能保持高质量和性能一致性。本案例是总部位于意大利的领先跨国包装公司Coesia S.p.A.与EngineSoft S.p.A.及特伦托大学合作的Doypack自立吸嘴袋包装机仿真案例,模拟创建、填充液体和密封直立袋的整个过程。这项挑战性的活动需要建立“机器-包装-流体”系统的多物理场数字样机,特别是考虑多柔体动力学和基于粒子的流体动力学之间的双向耦合,在动态条件下正确呈现流体和柔性袋间的相互作用。

Customer Challenges 面临的挑战

  • 为防止操作过程中袋子重复折叠,需确定底部角撑板的设计与其稳定性的关系
  • 通过重复建模及快速合理仿真,确定最佳设计和工艺参数
  • 考虑影响袋子整体响应的非牛顿流体注射行为
  • 确保即使在动态条件下液位也不会超过预定限制,以便在操作期间密封区域保持清洁
  • 考虑流体和柔性移动结构间的相互作用

Solutions 解决方案

  • 采用RecurDyn的MFBD技术仿真刚体和柔体的耦合运动
  • 利用RecurDyn的ProcessNet进行便于执行DOE分析的自动建模和网格划分
  • 采用RecurDyn与ParticleWorks的联合仿真考虑流体与柔性体间的互动行为

Process 流程

  1. 建立夹具、吸盘、喷嘴和挡板等刚体模型
  2. 采用4节点(每个节点6个自由度)Shell单元建立能够发生大变形的可变形薄膜袋柔性体
  3. 仿真打开、填充、关闭和晃动四个阶段
  4. 采用ProcessNet对柔性袋进行全自动化建模,以便快速创建多种类型的袋
  5. 利用RecurDyn-Particleworks的双向耦合仿真,可靠地表示流体-结构的相互作用
  6. 通过试验数据验证模型的有效性,为平衡模型可靠性和CPU时间,设置最佳粒子尺寸和其它数值参数

Key Technologies for Analysis 关键技术

  • MFBD技术的非线性柔体能够考虑大变形及柔性体的摩擦接触行为
  • 基于无网格粒子法的CFD分析技术,非常适合模拟自由表面流动,如液体注入或晃动
  • RecurDyn和Particleworks间的无缝接口,可轻松准确地仿真流体-结构相互作用(FSI)

Outcomes 效果

  • 可靠预测了袋子的稳定性和打开/变形的形状
  • 仿真结果对材料属性、薄膜厚度和袋子稳定性设计及开口间的现有关系提供了附加指导
  • 能够确定袋子角撑板的适当厚度和刚度
  • 仿真结果提供了机器的运动规律和性能数据
  • 仿真结果得到了一些试验无法测量的数据
  • 整个仿真在GPU常规工作站上用时约10小时完成,勿需HPC,即可在1昼夜间进行多次仿真