模拟柔性体化妆品包装袋的填充过程

来自EnginSoft Newsletter#3的案例，2021年 由意大利EnginSoft S.p.A.提供（www.EnginSoft.com）

研究产品：洗衣液的密封包装袋

仿真目的：工艺与设计的相关参数对设备优化设置的影响

包装机械制造商致力于开发即使产品、包装方式或包装材料发生变化，也能保持高效率的包装设备。本案例来源于Coesia S.p.A.（总部位于意大利的跨国公司），是S.p.A.与EnginSoft及Trento大学的合作案例，利用Doypack®包装装置模拟包括准备包装袋、充液和密封的整个过程。为此，创建了“填充机械-包装袋-流体” 多物理场问题的虚拟模型。尤其是，为了实现在动态条件下流体和包装袋之间的相互作用，通过多柔体动力学和粒子流体力学之间的双向耦合进行分析。

◆ 仿真过程

① 大部分主体结构都是采用实体建模（例如，夹具、吸嘴、喷嘴和盖子）

② 包装袋采用可变形的柔性体建模

③ 模拟包括打开、填充、封口和晃动的全过程

④ 为了在短时间内制作多种类型的包装袋，利用RecurDyn/ProcessNet实现了柔性体包装袋的自动化建模

⑤ 基于RecurDyn和ParticleWorks实现流固耦合分析（FSI）

⑥ 利用实验数据进行模型验证，并由此选择考虑模型的可靠性和CPU时间之间平衡的粒子大小和数值参数

A. 开袋, B. 填充, C. 封口 液体冲击过程分析结果

◆ 关键仿真技术

• MFBD技术可处理包括大变形和接触、摩擦等的非线性行为

• 基于粒子法的CFD仿真比较适合模拟液体的注入和晃动过程

• RecurDyn和Particleworks的软件接口，可轻松实现精确的结构-流体耦合分析

◆ 工具包

• RecurDyn/Professional

• RecurDyn/FFlex

• RecurDyn/ProcessNet

• Particleworks Interface

◆ 工程问题

• 了解包装袋底部加固剂的设计和稳定性之间的关系，防止褶皱

• 需要根据反复建模和合理的仿真时间确定最终的设计和参数

• 需要考虑注入流体的非牛顿行为，这会影响包装袋的整体行为

• 在动态环境中，为了保持密封区域清洁，需要确保流体不会溢出指定位置以上

• 需要考虑流体和（运动）流体之间的相互作用

◆ 解决方案

• 利用RecurDyn的MFBD技术，模拟动态条件下的刚体结构与柔性体结构

• 通过RecurDyn/ProcessNet自动建模、网格创建，轻松实现DOE分析

• 通过RecurDyn和ParticleWorks的耦合，考虑流体和柔性体之间的相互作用

密封前（左）后（右）的应力云图 底部加固材料设计的参数化分析结果

◆ 结论

• 准确预测开封/变形的包装袋形状及稳定性

• 通过仿真，获得可能影响包装袋形状和稳定性的材料物理特性、薄膜厚度等包装袋设计参数

• 获取相关设备行为和性能信息

• 通过虚拟模型获得无法通过传统实际测量方法获得的重要信息

整个仿真时间在只有GPU的普通工作站上需要10个小时左右，因此在一般性能的计算机上也可以利用夜间时间进行多次仿真分析

◆ 其他应用场景

• MBD-CFD的双向耦合

- 模拟流体产品在柔性体包装容器中的运输情况