【网上课堂】金属包装设计与制造（4.2）两片罐的结构与设计
（本节主讲：吴若梅教授）
一、两片罐容器的结构要素
两片罐容器的结构要素如图4-2 所示。两片罐容器的结构有五个部分，分别是罐底、下缘部分、罐侧壁、上缘部分和罐端盖。(1) 上缘部分：上缘部分是侧壁与罐盖封合的部位。由于节约材料降低成本的缘故，两片罐罐盖直径都较小，所以两片罐的上缘部分采取缩颈以缩小两片罐筒体的口径，使之与罐盖相配合。(2) 侧壁部分：侧壁部分光滑平整，外表面可以进行涂装修饰。侧壁的结构设计，必须使罐体具有一定的纵向压缩强度（也叫竖筒强度）。(3) 下缘部分：下缘部分是侧壁与罐底的连接部。它常配合罐底脚设计成合适的外形，以保证两片罐具有足够的结构强度和适当的外观造型。(4) 罐底：罐底主要起支撑整个容器的作用。罐底外形主要以圆拱形为主。(5) 罐盖：罐盖主要起密封作用，为提高罐盖的强度在盖面会设计外凸筋和斜坡。饮料用的两片罐通常都是采用统一规格的易开盖。
二、两片罐的结构设计
两片罐的罐身无侧缝、罐底与罐壁为一整体。罐型、尺寸及封口形式都受到制罐设备的限制，因此两片罐的结构设计实质上只是选定罐型、材料及封口形式，最后在罐的外表面进行装潢设计。一般情况下，制罐设备的设计都考虑到金属罐有关标准的应用条件。表4-2 所示为两片圆罐规格系列，表4-3 所示为易开盖金属罐规格。从罐型上看，各种罐型都各有特点。圆柱形容器具有用料最少容量最大的特点。在容量相同的条件下，方形容器的用料最多，比圆形容器的用料多40 % ，其他棱柱形容器也都比圆柱形容器用料多。因此在设计选定容器形状时，应尽量选用圆柱形容器构型， 异形容器只在必要时选用。另外， 选定罐型时， 也应考虑罐的开封形式。常用的开封形式有顶开式、侧面卷开式，以及饮料罐易开盖和整体拉开盖等。规格尺寸、罐容的确定应尽量符合标准化规格要求。当设计新罐型时，则要根据商品的情况、包装要求及包装量，先设计罐型和结构尺寸，然后计算罐容。在设计罐容和罐型时， 还应综合考虑其他因素，如商品受热时体积的膨胀，商品填装率等，一般商品的填装率为85%~95% 。
早期的两片罐上缘采用简单的缩颈方式。随着罐盖直径的进一步缩小，两片罐罐身口径也需进一步缩小。从20 世纪80 年代开始， 出现了双缩颈、三缩颈、四缩颈等罐型，如图4-3 所示。英国的Metal Box 公司发明了旋压缩颈罐，旋压缩颈的结构在加工上有很大的优势，近年越来越多的两片罐都采用了旋压缩颈工艺。旋压工艺原理可参阅第六章的有关内容。
罐底主要起支撑整个容器的作用。罐底外形通常设计为圆拱形，要求具有一定的抗弯强度。如啤酒用两片罐的罐底外形，早期选用406 ~4 19μm 的较厚板材，其底部设计成如图4-4 (a) 所示的外形，最小抗弯强度可达到586~620kPa 。随着使用板材的原始厚度的降低，底部外形也设计成较复杂的结构，以保证罐底有足够的强度。板材厚减为330μm 时，采用阿尔考B-53V 字形，结构如图4-4 Cb) 所示。罐底可达到技术要求。而采用阿尔考B-80 ［结构如图4-4 Cc) 所示］罐底后，则板厚减为320μm 。
为提高罐盖的强度可在盖面设计外凸筋和斜坡，保护卷边在罐生产过程不变形、不受损坏，可根据具体的包装要求和罐径大小进行设计，确定是否需要外凸筋和斜坡及其个数。饮料用的两片罐通常都是采用统一规格的易开盖，具体内容详见第七章。三、罐的优化设计
铝制易拉罐与其他包装容器相比更具有环保性，铝材反复回收使用，有效地节约了资源。从经济性考虑，易拉罐设计时，需考虑满足加工工艺要求及使用要求的前提下，罐体、罐底及罐盖的壁厚尽量的薄，而易拉罐属于压力容器，其受力如图4-5 所示。用易拉罐包装的饮料时，易拉罐的底部朝下放置在桌面上，如果底部中间凸起，易拉罐就会倾倒，因此易拉罐底部结构设计时应该是中间凹的形状，而且在灌装时，底部应该具有足够的承压强度，而不会出现向外凸起的情况。采用仿真软件ANSYS 研究易拉罐在内部压力的作用下罐盖及罐底抗压能力，以及金属薄壁结构建模、面载荷及边界条件施加、求解、后处理等有限元分析步骤，有利于对易拉罐结构底部及顶盖材料厚度选择及结构形式的理解。具体范例见第九章所述。
