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塑料饮料瓶的形状设计原理

2020-05-10 07:00  来源: 新华网

冰镇的瓶装饮料是夏日里的解暑佳品,这些饮品在市面上如此受欢迎,一方面是因为饮料本身味道酸甜爽口,另一方面也与包装瓶体型适当、方便携带有关。大多数饮品的包装瓶都是塑料材质,形状基本相似,塑料瓶的形状设计是对其功能、经济效益、外观美学等多方面考量的结果。

仔细观察塑料饮料瓶的外形,不难发现其上部、中部和底部的形状各不相同。瓶身的上部类似于圆顶形,有的甚至是非常规则的圆锥形,顶部的瓶口属于圆柱形;瓶身的中部类似于圆柱形,为了增加美观度,会增添一些环状、竖条状的拱形或各种各样凸凹的形状;瓶身的底部一般设计为内凹,并呈类似圆顶形的花瓣状结构,这些设计的主要考量点是提升瓶子的承受力。

此类饮品的包装瓶必须要有较高的抗压能力,才不会让瓶身发生变形。从力学上来说,拱形可以承载较大的外力。塑料瓶在受压状态下的受力点会将力传递给相邻的区域,外力沿瓶身曲面分散开来,使得拱形的每个部位都分担一部分力。另外,很多桥的结构就采用了拱形设计,以达到安全稳定的目的。取拱形的拱脚连线的中心点,与拱顶相连作为轴旋转,拱形旋转一周即是圆顶形。所以,塑料饮料瓶上部的圆顶形可以看成是若干个拱形的组合,在不产生向外的力的同时又能承载住外部压力。

瓶身的中部是整个包装瓶最薄的部位,受到外力时容易产生凹陷。若将呈圆柱形的瓶身中部从中间对剖,即可分离成两个拱形结构。尽管是拱形结构,却也无法完全避免材质过薄带来的弊端。所以,为了提升中部的抗压能力,在不能增大壁厚的情况下,可以在瓶身表面添加各种凹凸纹路,如环形、锯齿形、手指形、刚性棱边等,不仅提升了瓶身的抗压强度,还增加了外观上的美感。

瓶身的底部不仅支撑着整个包装瓶,还经常与外物接触,其结构强度要求更高。一些碳酸饮料内含大量的气体,包装瓶内存在着一定的压力,尤其在发生晃动或者温度升高之后,碳酸气体释放出来,内部压力会增大。包装瓶的容量较大或者饮品带有气泡时,瓶身破裂的风险会更大。瓶底采用内凹式的形状可以让包装瓶保持稳定的竖向站立状态,也可有效地降低瓶底的擦伤风险,同时还能赋予其抗内压和抗水压冲击的强度,防止瓶底破裂。理论上来说,最耐破裂的结构是圆瓶底设计,但它需要搭配一个能让瓶身竖直稳定站立的底座。花瓣状瓶底就不需要额外的底座,多点支撑保证了包装瓶站立的稳定性。而且,这种花瓣状设计比较美观。

在设计容器时,容量也是重要的考量点之一。相同用材量下,球形是容量最大的设计结构,但若将其用在饮品包装瓶上,站立稳定性不足,市场实用性不够。而圆柱形既保证了容量,又保证了站立稳定性,并且容易吹制,便于灌装和运输,更加符合市场需求。

不同塑料瓶的特殊外形设计,能有效增强塑料瓶的刚度和耐负荷强度,下次喝饮料的时候,不妨好好观察一下吧!

本文由北京市第六十五中学一级教师 胡晓艳进行科学性把关。

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作者: 尹佳   [责任编辑: 鲁聃玉文]

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