基于ANSYS的重載纖維模塑托盤結(jié)構(gòu)與性能研究

王全亮，肖生苓，唐 杰

（東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

重載托盤是指具有特殊結(jié)構(gòu)形式和較強綜合承載能力的新型托盤。目前，中國以及國外主要地區(qū)的托盤標準中，并沒有對托盤的載重進行統(tǒng)一的等級劃分。國內(nèi)托盤生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)載重，一般將塑料托盤，木托盤等分為輕型、標準和重型托盤。在動載方面，一般輕型托盤所能承受的最大載荷重量為0.5 t，標準托盤為1 t，重型托盤為1.5～2 t。在靜載方面，一般輕型托盤所能承受的最大載重為2 t，標準托盤為4 t，重型托盤為6～8 t[1-2]。植物纖維是主要含纖維素、半纖維素和木素的聚合物納米復合材料。原生纖維在制漿過程中主要保留纖維素和半纖維素成分，而木質(zhì)素通常會被去除。所以，造紙與模塑等工藝領(lǐng)域用到的纖維原料是主要富含纖維素和半纖維素，并包含極少量木素的天然復合材料。而重載纖維模塑托盤是由植物纖維漿料，通過模塑工藝一次成型，具有高承載性能（靜載6～8 t，動載1.5～2 t）的單面聯(lián)運通用的復合材料平托盤，可用來替代傳統(tǒng)木托盤等，應用于大型、重載機械設(shè)備以及集合包裝。重載纖維模塑托盤的原料可利用木質(zhì)剩余物等，廢棄物可回收和自然降解，滿足物流和包裝行業(yè)綠色和循環(huán)發(fā)展的要求，具有廣闊的發(fā)展前景[3-5]。

國內(nèi)重載纖維模塑托盤研究雖然取得一定進展，但尚存在幾方面問題亟待解決。首先，重載纖維模塑托盤模型結(jié)構(gòu)應充分考慮模塑工藝特點，在具備可實現(xiàn)性的基礎(chǔ)上，從模塑工藝的角度進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。其次，對重載纖維模塑托盤應有明確的定義，尤其在原料、成型方法、載荷要求等重要方面，進而規(guī)范和明確對重載纖維模塑托盤的認識。最后，對重載纖維模塑托盤的結(jié)構(gòu)的設(shè)計，除了要進行局部結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計外，還有對整體托盤結(jié)構(gòu)單元布局和整體托盤承載進行設(shè)計分析，這是明確重載纖維模塑托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與承載要求是否合理的關(guān)鍵。而目前，基于重載纖維模塑托盤提出的結(jié)構(gòu)模型，多是理想化模型，在實際的模塑工藝下很難實現(xiàn)；對于結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，國內(nèi)外多集中在以有限元分析軟件ANSYS為手段，對重載紙漿模塑托盤局部單元結(jié)構(gòu)承載性能進行模擬分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6-7]；對于重載托盤，并沒有明確的定義和載荷劃分。

為此，本研究對重載纖維模塑托盤進行了明確的定義和載荷界定。針對纖維模塑成型過程中變形量大，很難成型較高密度的復雜厚壁結(jié)構(gòu)，導致目前的纖維模塑托盤呈現(xiàn)體積大，承載低的缺陷，提出了一種新型重載纖維模塑托盤，以達到降低托盤壁厚，適應大變形模塑工藝，便于一體成型的重載托盤要求。并運用ANSYS對新型的重載纖維模塑托盤的整體與局部結(jié)構(gòu)進行了模擬分析，并通過正交試驗方法進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對優(yōu)化后的重載纖維模塑托盤的的承載性能進行了模擬分析。

1 重載纖維模塑托盤的面板結(jié)構(gòu)設(shè)計與模擬分析

新型重載纖維模塑托盤采用了九個支腿的托盤結(jié)構(gòu)形式，節(jié)省支撐結(jié)構(gòu)單元用料，利于托盤的雙向進叉作業(yè)。面板與支腿皆采用了凹孔向下的結(jié)構(gòu)，利于材料在較高密度下的集約利用、面板凸模和支腿凸模的協(xié)同作業(yè)、以及整體托盤的一次成型。面板上表面的大平板平板結(jié)構(gòu)，利于對承載產(chǎn)品的裝載與保護。整體托盤結(jié)構(gòu)簡單，易于模塑工藝實現(xiàn)，利于實現(xiàn)材料與結(jié)構(gòu)的高強承載。整體托盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計利于實現(xiàn)通過模塑工藝完成對承載性能的調(diào)控。

托盤整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。依據(jù)相關(guān)標準[8-9]，面板尺寸選擇1 200 mm×1 000 mm×30 mm，支腿尺寸選擇160 mm×120 mm×100 mm。

圖1 重載纖維模塑托盤結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of heavy-duty fiber molding pallet

面板下表面分別采取正三角形、平行四邊形、矩形、正六邊形和圓形5種面孔形式，見圖2。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計利于一次成型，節(jié)省原料,利于材料的富集利用以及強度的提高。為使面板下表面5種不同面孔結(jié)構(gòu)的托盤具有可比性，在面板上均排布數(shù)量為24×20的面孔，并控制面板體積相同。面孔之間梁的寬度處處相等（除圓孔外），以保證面板梁能夠均勻受力。

圖2 面板孔平面圖像Fig.2 Plan of panel holes

在ProE中建立幾何模型，再導入到ANSYS軟件中進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)模擬分析。本研究在相同載荷條件下，對重載纖維模塑托盤整體與局部單元進行模擬分析。托盤承載是否失效主要由托盤的抗彎強度和抗彎剛度決定[10]，當托盤結(jié)構(gòu)的最大應力與最大位移越小，說明其抗彎強度和抗彎剛度越高。以廢紙板為原材料制得的重載纖維模塑材料，彈性模量為3 415.3 MPa，泊松比取0.1[11]，材料密度為9.68×10-7kg/mm3。應力-應變曲線，見圖3。

圖3 纖維模塑材料的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of fiber molding material

采用ANSYS中多段線性塑性模型的多段線性線段組合，近似表示纖維模塑材料彈黏塑性模型，對圖3等間距取6個數(shù)據(jù)，對應應變依次為0.008 70、0.013 35、0.014 24、0.018 13、0.022 69和0.027 02。在ANSYS中，選擇solid185單元類型,并進行智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸級別為6(下同)。根據(jù)托盤承載過程中的實際情況，對面板上表面施加載荷0.001 MPa面壓力，托盤支腿底面進行固定約束（約束6個方向的自由度），得到各種形狀面孔托盤的最大應力與位移，見圖4。

第一強度理論認為引起材料脆性斷裂破壞的因素是最大拉應力，無論什么應力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點處的最大拉應力σ1達到單向應力狀態(tài)下的極限應力σb，材料就要發(fā)生脆性斷裂。危險點處復雜應力狀態(tài)的構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂破壞的條件是σ1=σb，第一強度理論建立的強度條件為σ1≤[σ]。由圖4可知，5種孔型的面板最大拉應力依次為：含60°角菱形＞圓＞等邊三角形＞矩形＞正六邊形。節(jié)點位移矢量和依次為：含60°角菱形＞圓＞正六邊形＞矩形＞等邊三角形。根據(jù)第一強度理論，并結(jié)合位移矢量值，選擇正六邊形作為優(yōu)化后的重載纖維模塑托盤面板孔型，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 重載纖維模塑托盤面孔單元結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

不同孔型的面板，在承受均載荷時，最大應力點均出現(xiàn)在面孔頂部，根據(jù)材料力學理論[12]，主要是彎矩作用導致面孔頂部出現(xiàn)最大應力，進而導致面板破壞。為此，對面孔單元外側(cè)的6個面，施加反向面壓力，底面固定，使每個面上形成線性分布的彎矩進行模擬分析。面孔尺寸主要包括面孔深度、壁厚、拔模角度和倒圓角半徑。根據(jù)預實驗，每個因素取3個水平，進行正交試驗，見表1。

由圖5可知，面孔單元最大應力出現(xiàn)在面孔頂部倒角處，最大位移出現(xiàn)在面孔頂邊中部。各因素與應力及位移的變化關(guān)系趨勢，見圖6。

由圖6可知，最大應力與位移均隨面孔深度、拔模角度增大而增大，隨壁厚增大而減小，隨倒角半徑增大而先增大后減小。

根據(jù)表1中極差大小，確定各因素對應力與位移的影響主次順序為：壁厚＞拔模角度＞倒角半徑＞面孔深度。從影響主次順序和節(jié)省原料角度考慮，選擇的面孔優(yōu)化尺寸組合為H1T3α1R3，此組合尺寸的單元結(jié)構(gòu)未包括在正交試驗中，追加此單元結(jié)構(gòu)試驗，得最大應力為0.141 724，最大應變?yōu)?.000 691，均小于正交試驗中應力與應變。所以，面孔單元尺寸的最終優(yōu)化組合為H1T3α1R3，即面孔深度22 mm，壁厚6 mm，拔模角度2°，倒角半徑6 mm。

表1 正交試驗方案及結(jié)果分析Table 1 Orthogonal test scheme and result analysis

圖5 面孔單元應力與位移云圖像Fig.5 Stress contour and displacement contour of panel hole unit

3 重載纖維模塑托盤支腿結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

在ANSYS軟件中，對支腿上表面施加0.000 1 MPa面壓力，支腿底部固定，進行模擬分析。支腿尺寸主要包括厚度、拔模角度、倒圓角半徑。根據(jù)預實驗，每個因素取3個水平，進行正交試驗，見表2。支腿單元應力與應變云圖，見圖7。

由圖7可知，支腿最大應力出現(xiàn)在支腿底部倒角處，最大位移出現(xiàn)在支腿頂部。由表2可知，最大應力隨厚度增加而減小，隨拔模角度增大而增大，隨倒圓角半徑增大而先減小后增大。表3為支腿單元正交試驗結(jié)果的方差分析。

由表3方差分析結(jié)果可知，拔模角度對最大應力影響高度顯著，而厚度和倒圓角半徑影響不顯著。影響最大應力的主次順序為：拔模角度＞厚度＞倒圓角半徑。同理得到各因素對最大位移的影響也與應力一致。最大應力與位移越小越好，故選擇t3β1r2組合，由于此組合不包括在上述試驗中，追加其試驗得最大應力為0.000 173 MPa，最大應變?yōu)?.357E-5。發(fā)現(xiàn)，其最大應力與應變大于t3β1r3組合。所以，支腿單元尺寸的最終優(yōu)化組合為t3β1r3，即拔模角度2°，厚度25 mm，倒角半徑15 mm。

4 重載纖維模塑托盤的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與模擬分析

圖6 應力及位移與不同因素的變化趨勢圖Fig.6 The change trend of stress and displacement with diferent factors

表2 正交試驗方案及結(jié)果分析Table 2 Orthogonal test scheme and result analysis

根據(jù)對托盤孔型、尺寸以及支腿單元的優(yōu)化，選擇優(yōu)化的六邊形面板孔型和單元尺寸組合，進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并建立托盤模型。在物流運輸和堆碼條件下，重載纖維模塑托盤主要在面板部分發(fā)生不同程度的彎曲變形。托盤的抗彎性能用抗彎強度和抗彎剛度表征?？箯潖姸缺硎就斜P的抗破損能力，抗彎剛度表征托盤的抗變形能力[13-15]。根據(jù)重載纖維模塑托盤的定義，確定其額定靜載荷為6 t。在使用過程中，由于各構(gòu)件強度超過材料極限強度，造成產(chǎn)品破壞。因此，本研究以重載纖維模塑材料極限強度作為有限元分析邊界條件，當材料達到極限強度時，認為結(jié)構(gòu)失效[16]。對托盤表面施加0.049 MPa（即6 t）的均布面載荷，托盤底面進行固定約束（約束6個方向的自由度），進行靜載模擬試驗。

根據(jù)靜應力分析結(jié)果，可以得到重載纖維模塑托盤實際所受到的最大應力為41.86 MPa，其值小于重載纖維模塑材料的極限強度48.64 MPa，但大于屈服強度38.63 MPa，因而其結(jié)構(gòu)強度在達到重載要求的同時，也發(fā)生了塑性變形。重載纖維模塑托盤的應力和位移云圖，見圖8。面板沒有支腿支撐的4個部分位移變形量較大，最大位移為1.39 mm。面孔梁與支腿連接部分發(fā)生應力集中，屬于易損部位。

圖7 支腿單元應力與位移云圖Fig.7 Stress contour and displacement contour of outriggers

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

5 結(jié)論與討論

本研究以廢紙板成型的纖維模塑材料為原料，結(jié)合重載托盤結(jié)構(gòu)特征和模塑工藝要求，設(shè)計了一種新型重載纖維模塑托盤，應用ANSYS對其體與局部結(jié)構(gòu)進行了模擬分析,通過正交試驗方法進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對優(yōu)化后的重載纖維模塑托盤的的承載性能進行了模擬分析。結(jié)果如下：

圖8 整體托盤應力與位移云圖Fig.8 Stress contour and displacement contour of integral pallet

（1）在所設(shè)計的三角形、平行四邊形、矩形、正六邊形和圓形5種面板孔型的托盤中，在托盤質(zhì)量相同的情況下，面板孔型為正六邊形的托盤具有更好的承載性能。

（2）正六邊形面孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響承載性能的主次順序為：壁厚＞拔模角度＞倒角半徑＞面孔深度。當面孔深度22 mm、壁厚6 mm、拔模角度2°和倒角半徑6 mm時，所得制品最大應力最小, 結(jié)構(gòu)最合理。支腿的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響支腿強度的主次順序為：拔模角度＞厚度＞倒圓角半徑，其中拔模角度影響高度顯著。當拔模角度2°，厚度25 mm，倒角半徑15 mm時，支腿最大應力最小,結(jié)構(gòu)最合理。

（3）重載纖維模塑托盤是由植物纖維漿料，通過模塑工藝一次成型，具有高承載性能（靜載6～8 t，動載1.5～2 t）的單面聯(lián)運通用平托盤。對于面板孔型為正六邊形，面孔單元和支腿單元均為優(yōu)化尺寸組合的重載纖維模塑托盤，當其承受6 t的均布靜載荷時，所受到最大應力為41.86 MPa，其值小于重載纖維模塑材料的極限強度48.64 MPa，大于屈服強度38.63 MPa，因而其結(jié)構(gòu)的靜態(tài)載荷強度能夠達到重載要求，但發(fā)生了塑性變形。

在接下來的研究中，需要結(jié)合實際模塑工藝要求，設(shè)計出成型該重載托盤的合適模具及其配套的成型系統(tǒng)，以便實現(xiàn)該新型重載模塑托盤實體的生產(chǎn)及其ANSYS仿真模擬結(jié)果的比較與驗證，為后期ANSYS在重載纖維模塑托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與模擬仿真中的應用提供可靠保障。