金屬托盤面板彎曲力學(xué)性能研究及有限元分析

張 帷 ，張 琪 ，王 輝 ，王茂川 ，康 鳳

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶市育才中學(xué)校，重慶 400050）

在國(guó)內(nèi)物流業(yè)飛速發(fā)展的背景下，物流托盤的使用量也大為增加，在此情況下，繼續(xù)生產(chǎn)使用木托盤是不現(xiàn)實(shí)的，一方面，木托盤制作成本高，耐磨性較差，使用時(shí)間不長(zhǎng)；另一方面，生產(chǎn)使用木托盤會(huì)耗費(fèi)大量的木材，與國(guó)家綠色環(huán)保的經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念相違背。因此近年來木托盤在托盤行業(yè)的所占比重持續(xù)下降，而以鍍鋅鋼為材質(zhì)的金屬托盤在托盤行業(yè)的比重則逐年上升，這是因?yàn)榻饘偻斜P不僅能有效避免托盤生產(chǎn)帶給環(huán)境的破壞，同時(shí)它還有良好的彎曲性能，耐磨耐用。下文就金屬托盤面板的彎曲性能與有限元做詳細(xì)的分析。

1 國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬托盤面板性能的研究分析

鑒于托盤在現(xiàn)代物流中的重要性，國(guó)內(nèi)外對(duì)托盤的抗彎力學(xué)性能以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法先后進(jìn)行了不少的研究，具體如：國(guó)內(nèi)的廖英杰等進(jìn)行了均勻荷載下木質(zhì)托盤抗彎學(xué)性能的研究，并在此研究的基礎(chǔ)上就怎樣才能提升托盤剛度與彎曲強(qiáng)度這一問題進(jìn)行了分析與解答；在此之后，汪恭平與陳志強(qiáng)分別就托盤的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與屈服強(qiáng)度做了分析。其中，陳志強(qiáng)等在Ansys研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了托盤彎曲承載特性分析的分析與實(shí)驗(yàn)，并得到了托盤數(shù)值模擬解與試驗(yàn)值，試驗(yàn)結(jié)果顯示試驗(yàn)值與模擬解的誤差很?。欢艄街饕菍?duì)托盤工字梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并將托盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的金屬托盤的屈服強(qiáng)度得到了顯著的提升。國(guó)外就金屬托盤展開的較具代表性的研究有Federico等進(jìn)行了工業(yè)梁柱節(jié)點(diǎn)的單調(diào)循環(huán)試驗(yàn)托盤架研究；Ungureanu就托盤的壓縮敏感性進(jìn)行了分析，其試驗(yàn)分析的對(duì)象是一種冷型鋼托盤架，在試驗(yàn)過程中Ungureanu等提出了一種缺陷敏感性分析的假設(shè)；Soury同樣就托盤的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并提出了一種具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，得出了托盤的最小撓度是在托盤承受最大荷載時(shí)產(chǎn)生。

2 金屬托盤面板彎曲力學(xué)性能研究

2.1 形心位置的計(jì)算分析

使用力學(xué)相關(guān)原理研究某一構(gòu)件時(shí)，該構(gòu)件的橫截面應(yīng)當(dāng)是具有一定幾何形狀的平面圖形，并且這個(gè)橫截面的尺寸以及形狀會(huì)影響該構(gòu)件的變形以及應(yīng)力，基于橫截面與應(yīng)力以及變形的關(guān)系，我們?cè)诜治鼋饘偻斜P面板的彎曲力學(xué)性能時(shí)，需要借助一定的學(xué)科理論，在學(xué)科理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析計(jì)算，以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與客觀性。

在進(jìn)行金屬托盤面板彎曲力學(xué)性能研究時(shí)，構(gòu)件的橫截面必須具備以下特征：首先，金屬托盤面板的橫截面要關(guān)于Y對(duì)稱，P（形心）的位置坐標(biāo)要在Y軸上，確定zp為面板的中性軸，P（形心）到Z軸的距離為yp，并根據(jù)模型的大小給面板橫截面的各個(gè)邊長(zhǎng)標(biāo)定數(shù)值，為后續(xù)的分析計(jì)算提供便利。在確保橫截面各項(xiàng)條件符合計(jì)算條件后，可根據(jù)特定的計(jì)算公式算出面板橫截面的面積，之后在計(jì)算基礎(chǔ)上，結(jié)合面板橫截面的具體特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的精簡(jiǎn)計(jì)算，最終得到P（形心）到Z軸的距離yp的具體數(shù)值。

2.2 面板的最大變形及橫截面的慣性矩

在上述的計(jì)算分析中，已經(jīng)確定了金屬托盤面板橫截面的形心Y軸的坐標(biāo)位置，為進(jìn)一步得出金屬托盤面板的彎曲力度，還需在計(jì)算分析中確定出金屬托盤面板橫截面的慣性矩陣，在計(jì)算面板橫截面的慣性矩陣時(shí)，需要借助力學(xué)平面圖形幾何性質(zhì)中的平行移軸公式，并結(jié)合已知的相關(guān)信息，如面板橫截面的位置、面板zp軸與面板橫截面中心矩形形心的距離、面板截面中矩形的慣性矩、金屬托盤面板的慣性矩等已知信息。

3 金屬托盤面板的有限元分析

在進(jìn)行金屬托盤面板的有限元分析時(shí)，為確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與客觀性，需要按照以下計(jì)算程序進(jìn)行：首先，依舊借助SolidWorks軟件進(jìn)行建模，建模完成后將其按照parasolid.x-t格式文件導(dǎo)入Workbench，為后續(xù)的分析推導(dǎo)提供便利；其次，為了最大限度使面板的彎曲變形力學(xué)分析與實(shí)際工況相仿，需要給面板統(tǒng)一施加一定的荷載，統(tǒng)一確定F=4.9kN，并且將A、B、C三處統(tǒng)一確定為位移約束。在確定好客觀條件滿足后，劃分面板模型網(wǎng)格，劃分時(shí)統(tǒng)一采用六面體單元且統(tǒng)一規(guī)定網(wǎng)格尺寸，通常情況下，將面板網(wǎng)格尺寸社會(huì)組為0.5mm較容易計(jì)算。之后我們需要借助一定的軟件在Workbench中模仿金屬面板位移時(shí)的變化情況，在仿真過程中給面板表面施加大小不同的荷載，觀察記錄面板在承受不同荷載時(shí)的變形情況，以及不同長(zhǎng)度面板的彎曲變形最大位移實(shí)際變化情況，根據(jù)記錄的結(jié)果，可以分析出當(dāng)面板較短時(shí)，理論結(jié)果要略微低于仿真結(jié)果；當(dāng)面板較長(zhǎng)時(shí)，仿真結(jié)果會(huì)更加接近理論結(jié)果，也就是隨著面板長(zhǎng)度的增加，理論數(shù)值與仿真數(shù)值這兩者間的數(shù)值差在不斷的減少，而面板的實(shí)際情況則與細(xì)長(zhǎng)梁的撓度方程更為接近。而從面板的使用角度分析，面板必須要具備一定的剛度，當(dāng)面板較短時(shí)，面板的剛度足夠但是柔軟度較小；當(dāng)面板較長(zhǎng)時(shí)，面板的柔軟度足夠，但剛度較小，在進(jìn)行金屬托盤面板的有限元分析時(shí)，應(yīng)綜合考慮多方因素，如面板表面所承受的荷載的大小、模型網(wǎng)格劃分的精密程度等，通常情況下，當(dāng)網(wǎng)格的劃分精度不足時(shí)，仿真求解的結(jié)果也會(huì)受此影響而不怎么準(zhǔn)確。但是從整體來看，金屬托盤面板彎曲變形的仿真計(jì)算結(jié)果即理論計(jì)算結(jié)果間的數(shù)值差正在不斷的減小，也就是仿真計(jì)算的可靠性得到了進(jìn)一步的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬托盤在現(xiàn)代物流包裝中有重要的作用，為進(jìn)一步提升金屬托盤的使用性能，對(duì)金屬托盤面板的彎曲變形性能與有限元進(jìn)行了分析，希望能為有關(guān)金屬托盤的研究提供一定的參考依據(jù)。