Verallia，圣戈贝替的包装部门，使用ABAQUS和iAight在设计阶段提前优化瓶子形状和体重。
通过Chris Haree，由Evan Yares /高级编辑和分析师，软件编辑
对唐培里侬香槟王17世纪法国本笃会和尚，他生产的葡萄酒中的泡沫存在是一个故障，往往导致碳酸压力失败的葡萄酒瓶。然而，他的研究是防止仍然缺乏无意的二次发酵（参考资料），这仍然是影响现代闪亮香槟的发展的葡萄酒。
如今，在巴黎附近的圣戈班研究中心(Saint-Gobain’s research Center)为维拉利亚(Verallia)工作的研究工程师们确保他们生产的瓶子经过优化，能够承受气泡香槟产生的压力。机械工程师Xavier Brajer负责材料集团研发部门的15人力学，他领导了这些工作。该集团分析的核心是从政府，葡萄酒和饮料行业，以及圣戈班本身采取的措施，以减少在制瓶过程中使用的原材料数量。“为了减少我们对环境的影响，我们希望尽量减少材料和能源的使用，”Brajer说，“同时保证瓶子具有机械性能，使其寿命最大化。”
玻璃瓶由四种易用的材料制成：二氧化硅（沙子），苏打灰，石灰石和Cullet（再生玻璃）。还添加着色剂，取决于饮料装瓶和客户的愿望。平均空的750毫升葡萄酒瓶重约500克（有些是300克的灯光），占瓶子重量的约30％至40％。香槟瓶的重量约为两倍，因为它必须抵抗高达90psi（620 kPa）的压力。虽然香槟产生了任何饮料的最高气体压力，但每种碳酸饮料 - 包括硬苹果酒，苏打水和其他闪亮的葡萄酒 - 在设计较轻的瓶子时需要考虑的玻璃上的内部应力。
通过模拟和优化来探索瓶子的形状和强度
尽管饮料容器的形状、大小和颜色几乎千变万化，但从远处看，香槟瓶的轮廓还是很容易辨认的。甚至容器的重量也是其感知质量的一部分。其他瓶子的形状也与特定的饮料或品牌密切相关。因此，为了减轻重量和材料而改变瓶子的形状会触及敏感领域。因此，在做出这些改变时，Brajer和他的研发团队会考虑主观审美因素。但他们是依靠客观的工程工具来做到这一点的。
Brajer说:“我们从Verallia设计部门根据客户的意见绘制的瓶子形状的CAD模型开始。”“然后，当我们试图减轻瓶子的重量时，我们使用Abaqus有限元分析(FEA)来模拟应力，并将其与Isight软件结合，优化几何形状，使容器能够承受这些应力而不会断裂。”Saint-Gobain已经使用Abaqus，达索Systèmes的simula品牌进行真实仿真大约15年了，并在大约两年前开始使用Isight(也是来自simula)进行自动化和集成仿真流程。Brajer补充说:“这两个软件包很容易连接在一起，让我们可以进行一系列的计算，节省时间，同时引导我们优化瓶子的几何形状。”
这Isight工作流,使用嵌入式ABAQUS FEA LOOP，允许维拉利亚设计团队系统地优化瓶子形状，在每次迭代中瓶的几何参数进行略微变化。自动化过程从一周到一小时的分析时间缩短。
在最近的一项优化分析中，圣戈班研究团队测试了一种用于硬苹果酒瓶的轻量化设计。和香槟一样，这种碳酸酒精饮料会产生内部压力，最容易在最薄弱的地方——瓶底——破裂。因此，在试图减少材料总量的同时，Brajer和他的团队将工程分析的重点放在了这一区域，希望保持其机械阻力和强度(见边栏)。
团队开始的压力分析,首先创建一个模型参考瓶在有限元分析:使用玻璃的基本材料2 d模型特征被用来利用瓶子的轴对称几何和节省计算时间(参见图1)。然后他们网状模型并应用边界条件和加载。为了优化用于描述瓶子底部的几何参数(在本例中是9个，但有时更多)，例如内部和外部形状、曲率和一些不同的半径，abaqus与Isight相结合。这使得团队能够自动化模拟工作流程，系统地改变参数，计算每个剖面的应力，最终确定最小应力和最佳瓶形(见图2)硬苹果瓶的情况，我们能够将体重减轻10％并对临界底部区域的应力约为17％，“Brajer说。“过去，它可能已经向我们一周运行了这一优化所需的100个模拟。但现在有一个迭代的循环过程，它只需要一个小时。“
在维拉利亚的技术团队的帮助下，物理测试也用于补充模拟。“我们如何使用测试可能会在将来发生变化，”他说，“因为一旦我们有验证测试的计算，设计工程师将相信虚拟优化过程。”
模拟帮助减少瓶子重量
内压负荷是导致碳酸饮料容器破裂的最常见原因之一。但这并不是唯一的问题。随着瓶子从玻璃制造模具移动到装瓶装配线，最后到达商店货架，它们被装满、盖上盖子、堆叠和运输。这将它们置于各种加载场景中，包括热应力(来自热液体)、冲击、挤压和压缩。基本上，一个玻璃瓶的寿命是不稳定的。
布拉杰和他的团队正在努力改变这种情况。因此，虽然压力分析是工程团队进行的第一个优化研究，但他们打算使用类似的过程——同样的软件工具——来研究瓶子破裂的其他方式。在未来的设计中，使用更少的原材料仍然是团队的首要任务。这是维拉利亚研发的目标之一。
今天，这种设计策略批判性重要的是，需要减少制造过程中的二氧化碳排放量。“我们的目标是使用更少的能量来生产每瓶，”Brajer说。“如果我们减少原材料，我们可以减少处理这些材料并融化并形成玻璃所需的能量。反过来，在该过程中产生的二氧化碳量直接与能源和原材料使用直接相关。“
鉴于瓶装饮料和全球食品的数量，瓶装的碳足迹值得寻求解决。维拉利是世界上第二大玻璃瓶和罐子制造商 - 每年生产大约250亿个容器 - 所以他们的优化重量的战略将提供重大的环境效益。
制作和打碎玻璃瓶
窄颈瓶的主要制作方法——香槟、硬苹果酒或葡萄酒——是吹和吹的过程(与主要用于宽口瓶的压和吹方法相反)。采用这种技术，直接从熔炉中流出的1500ºC的熔融玻璃，首先在成型机中冷却到1100ºC，然后切割成“gobs”(小瓶大小的量)。压缩空气被用来将一个腔吹入热的半液体材料中，在成型机中形成一个中间形状。第二股气流使吹模中的瓶子最终成形。退火过程被用来给予玻璃额外的强度。
不幸的是，玻璃制造不可能没有微小的缺陷，尽管玻璃制造过程已经有5000多年的技术进步。这些缺陷——比如表面的小划痕或裂纹——是由于与物体接触和各种其他因素造成的，可能会导致材料的弱点。“如果你有一个没有任何缺陷的瓶子，”圣戈班研究中心(Saint-Gobain Recherche)的机械和材料首席工程师泽维尔·布拉耶(Xavier Brajer)说，“玻璃瓶的强度将是现在的100倍。”
瓶在过程中最终步骤之后的装配线上。
根据统计，玻璃的缺陷导致瓶子破裂。“如果你拿20瓶酒，并持续施加压力，有些会在10巴，有些在20巴，有些在30巴时破裂，”布拉杰说。“它是有规律的，可以计算出来，因为缺陷服从统计。”
Because the behavior of defects can be predicted by probability, Brajer and his engineering team use Abaqus FEA and Isight to help calculate stresses against rates of failure, while also striving to minimize the amounts of raw materials used in the company’s eco-designed line of containers. “Our goal is to find the lightest bottle that will withstand a statistically accepted maximum level of stress,” said Brajer.
Chris Hardee是新罕布什尔州的一名技术作家。
Dassaultsystèmessimulia.
www.simulia.com
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