钢桶造型设计

中国人民解放军三六O二工厂 刘国良

目前，在国内外各种有关包装方面的学术期刊莉专业书籍中，对钢桶的卷边、焊接、封闭器、密封胶及表面涂装技术进行了深入的研究，为提高钢桶产品的质量水平，奠定了科学的理论基础。钢桶是一种粗犷型的产品，它的结构与其它机电产品（如机床、电视机、电冰箱）相比， 较为简单，而且在造型设计方面的研究欠缺。一般的制桶厂家停留在仿制的基础上，在很大程度上凭经验自行设计，使设计的钢桶外型直观效果不佳。目前，尚未见到有关钢桶产品设计的理论依据。仅将已定型的，量大面广的钢桶产品的详细结构尺寸列入钢桶产品标准，作为钢桶行业设计制造的主要依据，以此统一钢桶的规格尺寸。但是，国家标准中规定的规格系列是很有限的。随着我国社会主义市场经济体制的建立和完善，我国石油、化工、食油等产品包装不断向多品种、多规格方向发展，使得国家标准中规定的钢桶规格系列难以满足需要。实践证明，除GB325《包装容器 钢桶》国家标准规定的规格外，尚有一些用户需要的如150L、30L、45L、60L等规格的钢桶在标准中未作要求，但实际确实存在，并需要。各制桶厂家为创造最佳经济效益， 自行设计开发了市场需要的各种规格桶， 称为非标准桶。但是，同一规格桶，各厂生产的尺寸差别较大，桶体造型风格和直观效果有别。随着科学技术的不断发展，社会的进步，人们要求钢桶不仅能盛装产品，同时也要求结构新颖，造型美观。基于这个目的，本文就钢桶的结构造型设计问题进行研究，为钢桶行业设计出具有独特造型风格的钢桶产品。使我们的产品不仅内在质量过硬，而且具有良好的造型效果。使钢桶结构设计建立在科学理论基础之上，克服凭经验及盲目仿制的弊端。

一、现行钢桶国家标准的情况分析

GB325《包装容器 钢桶》国家标准中列入了6种规格的闭口钢桶的结构尺寸见表1。

表1 闭口钢桶结构尺寸表（单位：mm）

从表1提供的钢桶规格尺寸中，以内径和外高为坐标，作出闭口钢桶外形尺寸图谱如图1所示。

图1 闭口钢桶外型尺寸图谱

通过对图1进行分析可知：以直径和外高的比值来看：

200L闭口钢桶 i1=560/888=0.630

100L闭口钢桶 i2=430/752=0.571

80L闭口钢桶 i3=415/647=0.641

50L闭口钢桶 i4=385/482=0.7987

25L闭口钢桶 i3=285/442=0.6447

20L闭口钢桶 i6=285/362=0.787

可以分为三种类型：i1=0.630、i3=0.641、i5s=0.6447属于第Ⅰ类；i4＝0.7987、i6=0.787属第Ⅱ类；i2 -0.571属第Ⅲ类。这三种比例中，i＝0.63～0.6447的几何外形给人的直观效果好一些，较符合艺术造型设计中的美学要求。 图1所示（图1系按比例作出的直径－外高图谱）： 200L闭口钢桶外形显得稍胖；100L闭口钢桶外形显得瘦高；80L闭口钢桶外形显得比200L闭口钢桶外形还要粗胖些；50L桶外形是图谱提供的几种规格中最矮胖的一种；25L桶外形较为接近200L桶外形（相似）； 25L与50L桶的外形相似。与比值分析结果相同。

二、造型设计中比例的确定

美观的造型要具有良好的比例。型体的比例美，可以认为是一种用几何语言，数比词汇表现现代科学技术美的艺术形式。选定正确的比例是完美造型设计的基础，是艺术造型中用于协调各组成部分尺寸的基本手段。正确合理地确定造型比例，可以使造型的功能、结构、图形等造型因素所表现的形体构成组合，具有理想的艺术表现力和良好的视觉效果。

设计是一种有目的的智力劳动。它以图纸尺寸、实物模型方式表达设计的思想。它是为生产和实践服务的，既要求设计出的产品能达到标准提出的性能指标，又要实现技术、经济和艺术的统一。同时，还要考虑生产条件，使之在现有条件下能变成现实，并且要更经济地变成现实。

造型比例设计的条件是根据功能要求、技术条件、结构、时代特征，再结合人们对造型的欣赏习惯和审美爱好而形成的。它和造型的艺术表现手法密切配合，协调一致。因此，造型比例设计的决定因素必须与构成物诸要素协调一致，形成局部与整体的相互联系、统一和匀称。

造型中常用的比例关系及其特性：

(1)整数比例

整数比例是以正方形为基础派生的一种比例。一个正方形的各周边比率为1：1；二个正方形连接的长方形相邻边比率为1: 2。这种二元或多元正方形组成的形状为长方形。它的外形比例是比较好的， 由此派生可得1:1、1:2、1:3、……之整数比例的矩形图形。这种比例构成的图形，正立放置时，重心较高，缺乏稳定感。图形显得呆板，不灵活。

(2)均方根比例

其比例关系为1：√2、1：√3、……。由这种比例构成的图形正立放置，重心较高，不灵活。形体显得瘦长。

(3)黄金分割比例

黄金分割比例为0.618。它的基本思想是每次缩短后新区间的长度与原区间长度比值始终是一个常数，此常数是0 . 6180以这种比例关系的尺寸构成的长方形，在形体空间能够取得很好的比例和谐感。这个常数就是优选法中的优选点。

其余种种比例在此不一一列举了。

总之，在钢桶类包装容器产品设计中，应充分考虑使用功能和美学原则，使设计出的产品外形具有比例协调、均衡稳定、美观大方并有舒适感。所以，设计时应优先选用上述诸比例中的黄金分割比例(0.618)，完善钢桶的造型设计。当然这个比值也不是绝对的，依据设计情况，可在近似这个比值的情况下，结合有关标准要求，对设计尺寸作些适当调整。

三、确定设计的数学模型

前面已将设计的比例确定下来，是不是就能简单的将内径和外高计算出来呢？当然不能。还得靠深入分析，建立起容量、内径、外高之间的数学模型（函数关系），然后进行求解。

我们知道，设计包装容器，最先给出的是公称容量值。如200L闭口钢桶，如何根据给定的容量，来设计出合乎使用及造型要求的钢桶呢？解决这个问题并不难。

我们知道圆柱形桶额定容量：

V＝πddh·1/4…………（1）

式中 V－为额定容量(L)；d－内径(dm)；h-桶内高(dm)

在确定额定容量时，应根据公称容量、容装系数，乘以(1+4～5%) 的系数作为设计的额定容量。例如，按GB325国家标准给定的200L闭口钢桶尺寸，计算额定容量为：V=209.2升。而按5%容装系数计算为V=210升，比较接近理论额定值。

由黄金分割基本思想知：

d/H＝0.618…………（2）

式中 H=为桶外高(dm)；d=内径(dm)。

所以 d＝0.618H…………（3）

而 h＝H-2h1…………（4）

式中 h－为桶内高（dm）；h1－为桶顶（底）深（dm），应事先根据加工情况定为常数。

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

这样容量与外高间的数学模型就建立起来了。注意，在这里式⑤中没有考虑材料厚度因素。建立了模型，并没有完成设计任务，关键在于求解这一模型。下面讨论如何从公式⑤中求解。

四、数学模型求解

对这个问题，解决的办法很多。即可以用现代设计方法中的有关知识进行求解，也可以用数学方法求解。

将⑤式改写为H与y的函数关系。

y＝π/4×0.618×0.618（HHH－2h1HH）－V…………（6）

求解过程如下：

1、明确思想路

为了顺利求出H,体现设计的科学性，列出图2所示框图作为求解思路。

图2 程序框图

2、根据求解结果，设计钢桶尺寸

根据求解出的H,由式③知内径d。至此可以说钢桶尺寸已初步确定出来。但是，由于上面得出的仅仅是计算尺寸，故下一步的工作是检验所设计出的钢桶规格、尺寸是否符合下列国家标准的有关要求：GB13201《圆柱体运输包装尺寸系列》、GB321《优先数和优先数系》、GB325《包装容器钢桶》。如果与国家标准有点差异，应符合国家标准规定，对设计的规格、尺寸调整靠标。完成了这项工作，才算完成一种规格桶的设计工作。

以上主要讲述了钢桶的设计的理论。为了便于读者理解， 以30L闭口钢桶为例，说明求解过程。

（略——如有读者需要全文，请与中国钢桶包装网联系。）

该桶几何尺寸的设计，按造型比例进行设计。依据国家标准进行对标。造型风格与200L闭口钢桶、80L、25L闭口桶相似，直观效果较好。体现了科学性、原则性及灵活性的有机结合。

综上所述，本文给出了设计钢桶的理论依据。笔者认为较之经验型设计有较大进步。即设计出满足使用要求，又可保证所设计桶的形体符合艺术造型的比例设计，协调统一，均衡稳定的要求。表现出科学性和艺术性的统一。改变了传统设计的比例不协调、形体粗笨的钢桶结构设计落后局面。