鋼桶造型設計

中國人民解放軍三六O二工廠 劉國良

目前，在國內外各種有關包裝方面的學術期刊莉專業書籍中，對鋼桶的卷邊、焊接、封閉器、密封膠及表面涂裝技術進行了深入的研究，為提高鋼桶產品的質量水平，奠定了科學的理論基礎。鋼桶是一種粗獷型的產品，它的結構與其它機電產品（如機床、電視機、電冰箱）相比， 較為簡單，而且在造型設計方面的研究欠缺。一般的制桶廠家停留在仿制的基礎上，在很大程度上憑經驗自行設計，使設計的鋼桶外型直觀效果不佳。目前，尚未見到有關鋼桶產品設計的理論依據。僅將已定型的，量大面廣的鋼桶產品的詳細結構尺寸列入鋼桶產品標準，作為鋼桶行業設計制造的主要依據，以此統一鋼桶的規格尺寸。但是，國家標準中規定的規格系列是很有限的。隨著我國社會主義市場經濟體制的建立和完善，我國石油、化工、食油等產品包裝不斷向多品種、多規格方向發展，使得國家標準中規定的鋼桶規格系列難以滿足需要。實踐證明，除GB325《包裝容器 鋼桶》國家標準規定的規格外，尚有一些用戶需要的如150L、30L、45L、60L等規格的鋼桶在標準中未作要求，但實際確實存在，并需要。各制桶廠家為創造最佳經濟效益， 自行設計開發了市場需要的各種規格桶， 稱為非標準桶。但是，同一規格桶，各廠生產的尺寸差別較大，桶體造型風格和直觀效果有別。隨著科學技術的不斷發展，社會的進步，人們要求鋼桶不僅能盛裝產品，同時也要求結構新穎，造型美觀。基于這個目的，本文就鋼桶的結構造型設計問題進行研究，為鋼桶行業設計出具有獨特造型風格的鋼桶產品。使我們的產品不僅內在質量過硬，而且具有良好的造型效果。使鋼桶結構設計建立在科學理論基礎之上，克服憑經驗及盲目仿制的弊端。

一、現行鋼桶國家標準的情況分析

GB325《包裝容器 鋼桶》國家標準中列入了6種規格的閉口鋼桶的結構尺寸見表1。

表1 閉口鋼桶結構尺寸表（單位：mm）

從表1提供的鋼桶規格尺寸中，以內徑和外高為坐標，作出閉口鋼桶外形尺寸圖譜如圖1所示。

圖1 閉口鋼桶外型尺寸圖譜

通過對圖1進行分析可知：以直徑和外高的比值來看：

200L閉口鋼桶 i1=560/888=0.630

100L閉口鋼桶 i2=430/752=0.571

80L閉口鋼桶 i3=415/647=0.641

50L閉口鋼桶 i4=385/482=0.7987

25L閉口鋼桶 i3=285/442=0.6447

20L閉口鋼桶 i6=285/362=0.787

可以分為三種類型：i1=0.630、i3=0.641、i5s=0.6447屬于第Ⅰ類；i4＝0.7987、i6=0.787屬第Ⅱ類；i2 -0.571屬第Ⅲ類。這三種比例中，i＝0.63～0.6447的幾何外形給人的直觀效果好一些，較符合藝術造型設計中的美學要求。 圖1所示（圖1系按比例作出的直徑－外高圖譜）： 200L閉口鋼桶外形顯得稍胖；100L閉口鋼桶外形顯得瘦高；80L閉口鋼桶外形顯得比200L閉口鋼桶外形還要粗胖些；50L桶外形是圖譜提供的幾種規格中最矮胖的一種；25L桶外形較為接近200L桶外形（相似）； 25L與50L桶的外形相似。與比值分析結果相同。

二、造型設計中比例的確定

美觀的造型要具有良好的比例。型體的比例美，可以認為是一種用幾何語言，數比詞匯表現現代科學技術美的藝術形式。選定正確的比例是完美造型設計的基礎，是藝術造型中用于協調各組成部分尺寸的基本手段。正確合理地確定造型比例，可以使造型的功能、結構、圖形等造型因素所表現的形體構成組合，具有理想的藝術表現力和良好的視覺效果。

設計是一種有目的的智力勞動。它以圖紙尺寸、實物模型方式表達設計的思想。它是為生產和實踐服務的，既要求設計出的產品能達到標準提出的性能指標，又要實現技術、經濟和藝術的統一。同時，還要考慮生產條件，使之在現有條件下能變成現實，并且要更經濟地變成現實。

造型比例設計的條件是根據功能要求、技術條件、結構、時代特征，再結合人們對造型的欣賞習慣和審美愛好而形成的。它和造型的藝術表現手法密切配合，協調一致。因此，造型比例設計的決定因素必須與構成物諸要素協調一致，形成局部與整體的相互聯系、統一和勻稱。

造型中常用的比例關系及其特性：

(1)整數比例

整數比例是以正方形為基礎派生的一種比例。一個正方形的各周邊比率為1：1；二個正方形連接的長方形相鄰邊比率為1: 2。這種二元或多元正方形組成的形狀為長方形。它的外形比例是比較好的， 由此派生可得1:1、1:2、1:3、……之整數比例的矩形圖形。這種比例構成的圖形，正立放置時，重心較高，缺乏穩定感。圖形顯得呆板，不靈活。

(2)均方根比例

其比例關系為1：√2、1：√3、……。由這種比例構成的圖形正立放置，重心較高，不靈活。形體顯得瘦長。

(3)黃金分割比例

黃金分割比例為0.618。它的基本思想是每次縮短后新區間的長度與原區間長度比值始終是一個常數，此常數是0 . 6180以這種比例關系的尺寸構成的長方形，在形體空間能夠取得很好的比例和諧感。這個常數就是優選法中的優選點。

其余種種比例在此不一一列舉了。

總之，在鋼桶類包裝容器產品設計中，應充分考慮使用功能和美學原則，使設計出的產品外形具有比例協調、均衡穩定、美觀大方并有舒適感。所以，設計時應優先選用上述諸比例中的黃金分割比例(0.618)，完善鋼桶的造型設計。當然這個比值也不是絕對的，依據設計情況，可在近似這個比值的情況下，結合有關標準要求，對設計尺寸作些適當調整。

三、確定設計的數學模型

前面已將設計的比例確定下來，是不是就能簡單的將內徑和外高計算出來呢？當然不能。還得靠深入分析，建立起容量、內徑、外高之間的數學模型（函數關系），然后進行求解。

我們知道，設計包裝容器，最先給出的是公稱容量值。如200L閉口鋼桶，如何根據給定的容量，來設計出合乎使用及造型要求的鋼桶呢？解決這個問題并不難。

我們知道圓柱形桶額定容量：

V＝πddh·1/4…………（1）

式中 V－為額定容量(L)；d－內徑(dm)；h-桶內高(dm)

在確定額定容量時，應根據公稱容量、容裝系數，乘以(1+4～5%) 的系數作為設計的額定容量。例如，按GB325國家標準給定的200L閉口鋼桶尺寸，計算額定容量為：V=209.2升。而按5%容裝系數計算為V=210升，比較接近理論額定值。

由黃金分割基本思想知：

d/H＝0.618…………（2）

式中 H=為桶外高(dm)；d=內徑(dm)。

所以 d＝0.618H…………（3）

而 h＝H-2h1…………（4）

式中 h－為桶內高（dm）；h1－為桶頂（底）深（dm），應事先根據加工情況定為常數。

故 V＝1/4·π（0.618H）·（0.618H）·（H－2h1）…………（5）

這樣容量與外高間的數學模型就建立起來了。注意，在這里式⑤中沒有考慮材料厚度因素。建立了模型，并沒有完成設計任務，關鍵在于求解這一模型。下面討論如何從公式⑤中求解。

四、數學模型求解

對這個問題，解決的辦法很多。即可以用現代設計方法中的有關知識進行求解，也可以用數學方法求解。

將⑤式改寫為H與y的函數關系。

y＝π/4×0.618×0.618（HHH－2h1HH）－V…………（6）

求解過程如下：

1、明確思想路

為了順利求出H,體現設計的科學性，列出圖2所示框圖作為求解思路。

圖2 程序框圖

2、根據求解結果，設計鋼桶尺寸

根據求解出的H,由式③知內徑d。至此可以說鋼桶尺寸已初步確定出來。但是，由于上面得出的僅僅是計算尺寸，故下一步的工作是檢驗所設計出的鋼桶規格、尺寸是否符合下列國家標準的有關要求：GB13201《圓柱體運輸包裝尺寸系列》、GB321《優先數和優先數系》、GB325《包裝容器鋼桶》。如果與國家標準有點差異，應符合國家標準規定，對設計的規格、尺寸調整靠標。完成了這項工作，才算完成一種規格桶的設計工作。

以上主要講述了鋼桶的設計的理論。為了便于讀者理解， 以30L閉口鋼桶為例，說明求解過程。

（略——如有讀者需要全文，請與中國鋼桶包裝網聯系。）

該桶幾何尺寸的設計，按造型比例進行設計。依據國家標準進行對標。造型風格與200L閉口鋼桶、80L、25L閉口桶相似，直觀效果較好。體現了科學性、原則性及靈活性的有機結合。

綜上所述，本文給出了設計鋼桶的理論依據。筆者認為較之經驗型設計有較大進步。即設計出滿足使用要求，又可保證所設計桶的形體符合藝術造型的比例設計，協調統一，均衡穩定的要求。表現出科學性和藝術性的統一。改變了傳統設計的比例不協調、形體粗笨的鋼桶結構設計落后局面。