案例分享：大变形包装袋填充过程流固耦合分析

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。

CustomerChallenges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 Technologiesfor 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