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挑战

百事公司(PepsiCo)致力于寻找永续的包装解决方案，同时确保这些解决方案在运输及陈列过程中能维持抗损坏的特性。

解决方案

百事公司采用了 SIMULIA Abaqus 及达索系统(DassaultSystèmes)的3DEXPERIENCE® 平台，通过虚拟测试方式评估其包装设计。利用“虚拟第一原则(Virtual First Principle)”在进行任何实体测试前，先对产品进行虚拟验证与评估。

效益

通过导入SIMULIA软件的仿真与流程评估，百事公司每年可省下数十万美元的成本，同时缩短饮料包装的开发时程。

与大多数消费品包装公司一样，创新对于赢得市场占有率和推出新产品至关重要。这需要克服材料选择、减少浪费、制造、可回收性和产品运输相关的挑战。通过结合建模和模拟以及先进的快速原型制作，PepsiCo百事可乐公司正在进行多项举措，以改善包装开发流程，从而提高生产力、质量和永续性。

说到碳酸饮料，百事可乐可能会是人们首先想到的饮料。但百事可乐公司不仅仅是一家碳酸饮料公司。它拥有庞大的食品和饮料产品线，其中有 23 个品牌，包括百事可乐、桂格燕麦片、Tropicana、Lay's 和 Gatorade，每年在零售市场的销售额都超过 10 亿美元。所有这些产品的开发工作都涉及大量的加工和包装，而这正是模拟技术发挥重要作用的地方。

Dr. Ellie Vineyard 是百事可乐公司的副高级工程师，于 2019 年加入公司。她还利用自己的时间在 2021 年区域用户会议上担任演讲者。在她加入百事可乐公司时，Dr. Vineyard 并没有太多包装方面的经验，但她很快就成为饮料包装方面的专家。饮料包装的形状看似简单，但需要高度精确的物理学和工程学知识才能创造出来。

她说：“如果你不采用系统性的方法来设计瓶子，在经过运输之后会发现瓶子损坏。当瓶子到了消费者的手中，你会选择一个上面有凹痕的瓶子吗？我们都选择货架上最好的瓶子。”

一、虚拟第一原则

Dr. Vineyard 和她的团队积极参与包装开发的每个阶段，并一直依靠模拟技术。首先是创意阶段，工业设计团队会为每种新的包装设计提出一些设计版本。Dr. Vineyard 的团队使用模拟技术对设计迭代进行分析，并从所有设计迭代方案中选出最佳设计。

在选出最佳设计后，将进行概念验证评估。在评估中，使用模拟技术对包装进行详细评估，以确定包装是否符合百事可乐的要求。接下来是运输模拟，其中包括生产线模拟（评估瓶子在输送在线的表现）和自动贩卖机性能仿真。有时他们还会进行电子商务仿真，以评估包裹从电商发货时的状况。

例如，为了在开发过程的早期进行设计和制造改善，百事可乐使用达索系统Dassault Systèmes 旗下 SIMULIA 品牌的 Abaqus 技术模拟拉伸吹塑成型或挤出吹塑成型，以决定哪些条件方式可以为瓶子产生最佳壁厚分布。在设计的后期阶段，该公司结合仿真和性能评估来优化瓶子的表现。从头到尾的瓶身模拟分析帮助百事可乐大大减少了反复试错的成本。Vineyard 表示，通过将仿真和性能评估引入公司，公司每年可直接和间接省下超过一百万美元。

这些方法是百事可乐所谓的虚拟第一原则（Virtual First Principle）的一部分，该原则是一种在进行任何实体测试之前先对产品进行虚拟测试的理念。 Dr. Vineyard 说：“当我们进行实体测试时，我们可以确保包装在性能或运输方面能够满足所有要求。因此，我们将采用虚拟第一原则来降低成本和时间，就像我们在单元测试中所做的那样。”

二、工程中的女性：挑战与启发

Dr. Vineyard 在很小的时候就对工程感兴趣。她在农场长大，她的父亲总是花时间修理农用机械的问题。这帮助她培养了对问题解决和事物如何运作的浓厚兴趣。这也影响了她高中毕业后攻读工程学位的决定。选择一个专业需要一些时间和探索，她大学的第一个专业是工艺设备，这在她攻读研究生时导致了她对机械工程的浓厚兴趣。

“那时候，我对此非常热衷。”她说，“我想在机械工程中，例如在产品开发工作中，应用计算器模拟。因此，这促使我前往美国深造，我的博士学位重点是机械超材料的拓扑优化。”Dr. Vineyard承认，机械工程领域中的女性较少，但这并没有阻止她对于该领域的热爱。相反，她更加努力地鞭策自己，以超越男性同行并激励其他女性和女孩。

她说：“即使很少见，但我确实相信女性工程师是未来女孩和女性的良好榜样。如果她们有热情，她们就可以一直追求工程事业。我觉得所有女孩都应该被鼓励去追求工程职涯。不要让刻板印象阻止你做你想做的事。如果你对工程、数学、物理有热情，我觉得任何类型的工程都会是很好的道路。”

三、百事可乐虚拟测试实验室：适用于所有人的自动化模拟

百事可乐于2020年开始与达索系统合作，扩展其仿真功能并开发云端的虚拟测试实验室。从此之后，百事可乐一直在逐步将手动模拟转移到完全自动化、精简的仿真流程。最终目标是将大约70%的实体测试转移到虚拟测试实验室进行，特别是针对饮料包装的测试。

Dr. Vineyard表示，虚拟测试实验室在模拟分析普及化扮演重要角色。因为虚拟实验室是完全自动化和采用精简流程，所以它不需要用户的专业知识，可以由工业设计师、包装工程师和其他非CAE专家操作。

这使得专家可以有余力进行创新性任务，例如开发更多的仿真应用程序。 Dr. Vineyard 说，在 2016 年，她的团队对市面上不同的软件进行比较，并选择了 SIMULIA的Abaqus 技术，因为它具有强大的非线性显式功能。

百事可乐公司还将开始使用更多的快速原型制作技术。百事可乐公司开发并获得了模块化吹塑模具的专利，并使用该创新技术生产了数千个功能性瓶子。目前，百事可乐公司正在将自己的吹塑模具引入公司内部，以便在48小时内使用3D打印的模块化模具生产出超过 10,000个瓶子。这将使他们能够在一周内快速评估他们的所有包装设计。

四、使用 3DEXPERIENCE 达成数字转型

百事可乐公司还使用达索系统公司的 3DEXPERIENCE平台来帮助提高协作和生产力。Dr. Vineyard 说，目前信息没有集中存储在一个位置，因此他们正在尝试采用云端的方式，以便他们将信息储存在同一个平台上，来自不同地区的所有相关人员都可以自由存取信息。

“我认为达索系统的3DEXPERIENCE平台是一个出色的云端协作环境，我们也可以将我们的仿真数据放在一个单一平台上，之后我们可以追踪这些数据，”她说。“如果你问我如何取得三年前的模拟结果，我可能需要花很长时间在我自己的设备中寻找，但如果我们可以将所有仿真数据存放在同一个地方，那将减少时间，这提高了可追溯性。”

Vineyard博士描述了他们如何使用3DEXPERIENCE平台应用程序来开发和交付他们在虚拟测试实验室中建立的【一站式解决方案】，其中像流程编辑器(Process Composer)这样的应用程序可以作为开发流程的后端支持。

“因为达索系统的产品是一个多物理环境模拟平台，它可以针对饮料包装过程提供解决方案”。Vineyard博士对百事公司的未来感到兴奋。她将这归功于模拟分析。百事公司目前正在追求数字虚拟双生解决方案作为虚拟首要原则，以结合物理和数字分析，进一步改善产品开发，降低成本，并提高生产力和效率。