一體式快拆型防雨塵儲運裝置設(shè)計與有限元分析

梁燕，劉飛航，胡銀全

（1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 401329）

近年來，我國集裝化運輸取得了長足發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定差距[1]，特別是在儲運裝置定制方面，還未形成成熟的生產(chǎn)模式。因此需要在儲運裝置的個性化定制方面綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝、使用、回收等因素，設(shè)計具有儲運方便、拆裝簡單、成本低廉等特點的儲運裝置[2]?？紤]到塑料托盤應(yīng)用場合復(fù)雜，在功能需求、結(jié)構(gòu)需求、尺寸規(guī)格等多方面存在著客戶定制需求[3]，因此需要在塑料儲運裝置定制方面拓展設(shè)計能力、分析能力、加工能力。由于塑料儲運裝置模具費用較高，故在開模之前需要進行詳細(xì)的仿真分析，縮短加工周期，降低加工成本。

綜上所述，文中通過對塑料儲運裝置進行全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析，實現(xiàn)一種能夠不使用任何工具即可快速拆裝、具備防雨塵功能、能在普通酸堿環(huán)境使用、強度較高的儲運裝置，為同類產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

根據(jù)儲運裝置使用環(huán)境及使用要求，制作儲運裝置的材料須具備一定的耐普通酸堿、防水防塵功能（參考IP33）、拆裝時不使用工具、四向叉孔參考尺寸為400 mm×95 mm、全向防護、整體外形參考尺寸為1 250 mm×1 200 mm×1 200 mm、儲運裝置質(zhì)量≥120 kg、底座抗彎強度載荷≥3 000 kg、底座抗彎剛度載荷≥1 500 kg、底座抗壓強度載荷≥3 000 kg、底座抗壓剛度載荷≥1 500 kg、鋪板強度載荷≥9 000 kg、鋪板剛度載荷≥4 500kg、承受6g水平?jīng)_擊、使用溫度為?40～50 ℃。整備儲運裝置質(zhì)量在750 kg以內(nèi)（貨物質(zhì)量為600 kg），兩層堆碼。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，平托盤額定載質(zhì)量為1 t，堆碼時應(yīng)能承受4倍的額定載質(zhì)量和3 個托盤的自重[4]。水平?jīng)_擊時不損壞，強度及剛度應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 總體設(shè)計方案

1.2.1 材料選擇

為滿足儲運裝置的性能要求及材料的通用性，儲運裝置采用耐熱型聚乙烯材料，滿足耐普通酸堿要求，使用溫度達(dá)到?100～80 ℃，抗拉強度為25 MPa、屈服強度為33 MPa、剪切模量為387.32 MPa、泊松比為0.42、彈性模量為1 100 MPa、密度為0.95 g/cm3。

1.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

普通托盤單元載貨的類型按結(jié)構(gòu)和特點分為18類，22 種型式[5-6]，均無法滿足本儲運裝置的使用需求。全新設(shè)計的儲運裝置共有5 種結(jié)構(gòu)：底座、長側(cè)板、短側(cè)板、頂板、鎖緊螺栓。結(jié)構(gòu)均為獨立結(jié)構(gòu)，無須預(yù)裝。各結(jié)構(gòu)結(jié)合部位采用最優(yōu)力學(xué)性能的倒扣結(jié)構(gòu)[7]，裝配時實現(xiàn)免工具快速定位。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)及零件模具成型工藝的特點，短側(cè)板的左右接觸面及4 塊側(cè)板的上接觸面易發(fā)生缺陷，導(dǎo)致接觸間隙過大，影響防雨塵效果，因此側(cè)板成型后對接觸面進行二次機械加工，將平面度控制在0.30 mm，并在加工后的側(cè)板接觸面熱涂彈性附著層，滿足整體防雨塵效果。鎖緊螺栓為通用型手?jǐn)Q螺栓，鎖緊時只需保證螺母的接觸平面與頂板平面接觸即可，互換性強。

儲運裝置的整體結(jié)構(gòu)見圖1。裝配時沿底座短邊方向在倒扣結(jié)構(gòu)內(nèi)插入一張短側(cè)板；然后沿底座長邊方向，在倒扣結(jié)構(gòu)內(nèi)相向插入2 張長側(cè)板；再沿底座短邊方向在倒扣結(jié)構(gòu)內(nèi)插入第2 張短側(cè)板；繼續(xù)沿長邊方向在長邊方向內(nèi)插入頂板；最后將2 顆鎖緊螺栓分別手工擰入螺紋孔將頂板固定[8]。

圖1 整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure

4 個側(cè)板插入方向見圖2。將側(cè)板沿長邊或短邊方向插入底座的插槽。頂板插入方向見圖3。頂板完全插入與側(cè)板方向?qū)R。擰緊螺釘裝配方向見圖4。手動將2 顆螺釘完全擰緊。整個裝配過程方便快捷，無須任何輔助工具。有利于提高物流工作效率，降低成本[9]。

圖2 側(cè)板裝配Fig.2 Side panel assembly

圖3 頂板裝配Fig.3 Top panel assembly

圖4 擰緊螺栓裝配Fig.4 Tightening bolt assembly

由三維結(jié)構(gòu)設(shè)計可知，儲運裝置整體質(zhì)量為108 kg，滿足≤120 kg 的要求。頂板、長側(cè)板、短側(cè)板的整體厚度為30 mm，鏤空后有效厚度（含加強筋）為5 mm；底座放貨的平面及各底墩的加強筋均為5 mm，底墩之間連接板厚度為10 mm。

儲運裝置主體結(jié)構(gòu)由模具成型。在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的3 個防護包裝等級和3 個裝箱等級的基礎(chǔ)上[10]，結(jié)構(gòu)尺寸一致性好、產(chǎn)品精度高、零件結(jié)合部位接觸緊密。在側(cè)板邊緣涂覆彈性涂層，確保接觸部位不出現(xiàn)縫隙及明顯貫通間隙，確保在完成裝配后有效防止小固體進入，并能防止在淋雨狀態(tài)下雨水通過接觸縫隙進入儲運裝置內(nèi)部，滿足IP33 防護等級要求。

1.3 設(shè)計小結(jié)

通過材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計，儲運裝置的部分設(shè)計特征已經(jīng)能夠滿足叉裝要求、整體外形尺寸、防雨防塵、防護方式、拆裝輔助、整備質(zhì)量、使用溫度、耐酸堿等。設(shè)計特征符合情況見表1。

表1 設(shè)計特征符合情況Tab.1 Compliance of design features

2 仿真分析

將儲運裝置三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Ansys Workbench有限元分析軟件中，考慮到儲運裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，壁厚不均勻，因此在有限元網(wǎng)格劃分時，將最小單格設(shè)置為5 mm[11]。根據(jù)托盤實際使用環(huán)境及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對平托盤的規(guī)定，確定儲運裝置仿真分析為底盤抗彎強度、底盤抗彎剛度、底盤抗壓強度、底盤抗壓剛度、鋪板強度、鋪板剛度[12]、整備儲運裝置承壓、整備儲運裝置水平?jīng)_擊等，根據(jù)分析結(jié)果確定儲運裝置結(jié)構(gòu)是否合理[13]。仿真分析的結(jié)果見表2。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

2.1 底盤抗彎強度仿真

將高溫聚乙烯的材料參數(shù)代入Ansys Workbench中，加載尺寸見圖5。試驗支座內(nèi)側(cè)與儲運裝置底座長邊的距離為75 mm，試驗支座內(nèi)側(cè)距離為1 098 mm，試驗支座內(nèi)側(cè)與加載杠中心的距離為198 mm，逐步增加受力直至材料仿真應(yīng)力接近25 MPa。仿真結(jié)果見圖6、圖7。當(dāng)載荷為3 500 kg，儲運裝置底座內(nèi)側(cè)應(yīng)力達(dá)到24.69 MPa，變形量為10.37 mm，滿足表2 底盤抗彎強度標(biāo)準(zhǔn)，因此確定底盤抗彎極限載荷為3 600 kg。

圖5 底盤抗彎加載Fig.5 Flexural loading of chassis

圖6 底盤抗彎強度應(yīng)力Fig.6 Flexural strength stress of chassis

圖7 底盤抗彎強度變形Fig.7 Flexural strength deformation of chassis

2.2 底盤抗彎剛度仿真

底盤抗彎剛度加載尺寸見圖5。負(fù)載≤1 800 kg，取最大負(fù)載為1 800 kg，此時儲運裝置底盤仿真情況見圖8。最大變形量為6.645mm，滿足≤22 mm 的標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 底盤抗彎剛度變形Fig.8 Flexural stiffness deformation of chassis

2.3 底盤抗壓強度仿真

底盤抗壓強度主要考核頂鋪板與底鋪板之間立柱的抗壓性能。底盤立柱有角立柱、邊立柱、中立柱3 種，因此分別對3 種立柱進行仿真。加載尺寸見圖9，加載位置見圖10。加載板尺寸為300 mm×300 mm×25 mm，分別放置在3 種立柱的位置進行加載，直至材料仿真應(yīng)力接近25 MPa。仿真應(yīng)力結(jié)果見圖11—16。從圖11、圖12 可知，角墩在最大負(fù)載為5 000 kg 時，應(yīng)力為24.77 MPa，變形量為0.02 mm。從圖13、圖14可知，邊墩在負(fù)載為5 000 kg 時，應(yīng)力為12.51 MPa，變形量為1.51 mm；從圖15、圖16 可知，中墩在負(fù)載為5 000 kg 時，應(yīng)力為3.85 MPa，變形量為0.45 mm，因此確定底盤抗壓極限載荷為5 000 kg。

圖9 底盤抗壓加載Fig.9 Compressive loading of chassis

圖10 底盤抗壓強度加載Fig.10 Compressive strength loading of chassis

圖11 角墩抗壓強度應(yīng)力Fig.11 Compressive strength

圖12 角墩抗壓強度變形Fig.12 Compressive strength deformation of angular pier

圖13 邊墩抗壓強度應(yīng)力Fig.13 Compressive strength stress of side pier

圖14 邊墩抗壓強度變形Fig.14 Compressive strength deformation of side pier

圖15 中墩抗壓強度應(yīng)力Fig.15 Compressive strength stress of middle pier

圖16 中墩抗壓強度變形Fig.16 Compressive strength

2.4 底盤抗壓剛度仿真

從2.3 節(jié)可知，在相同負(fù)載的條件下，底盤邊墩棱邊位置變形量最大，因此底盤抗壓剛度選擇在底盤中墩，負(fù)載為2 500 kg。仿真結(jié)果見圖17，由圖17可知，最大變形量為0.85 mm。

圖17 底盤抗壓剛度變形Fig.17 Compressive strength deformation of chassis

2.5 鋪板強度仿真

持續(xù)增加鋪板載荷，直至材料仿真應(yīng)力接近25 MPa。加載尺寸見圖18，叉孔寬度為399 mm，加載杠與叉孔邊緣的距離為71.80 mm。仿真應(yīng)力結(jié)果見圖19和圖20。當(dāng)負(fù)載為12 000 kg 時，應(yīng)力為23.30 MPa，變形量為4.62 mm，因此確定底盤抗壓極限載荷為12 000 kg。

圖18 鋪板強度加載Fig.18 Paving plate strength loading

圖19 鋪板強度應(yīng)力Fig.19 Paving plate strength stress

圖20 鋪板強度變形Fig.20 Paving plate strength deformation

2.6 鋪板剛度仿真

負(fù)載≤600 kg，則取最大負(fù)載為600 kg，此時儲運裝置鋪板仿真情況見圖21。由圖21 可知，最大變形量為2.41mm，滿足≤22 mm 的標(biāo)準(zhǔn)。

圖21 鋪板剛度變形Fig.21 Paving plate stiffness deformation

2.7 整備儲運裝置承壓

儲運裝置的各項性能均在貨物裝載完成的整備狀態(tài)下進行衡量。裝貨物的內(nèi)包裝箱材料與儲運裝置材料相同，因此在儲運裝置與內(nèi)包裝箱裝配完整的條件下對整備狀態(tài)的儲運裝置進行承壓仿真分析。整備狀態(tài)仿真負(fù)載為3 600 kg。仿真應(yīng)力結(jié)果見圖22 和圖23。整備儲運裝置應(yīng)力為12.55 MPa，變形量為5.43 mm，滿足不發(fā)生塑性變形的要求。

圖22 整備儲運裝置承壓應(yīng)力Fig.22 Pressure stress of maintenance storage and transportation device

圖23 整備儲運裝置承壓變形Fig.23 Deformation of maintenance storage and transportation device under pressure

2.8 整備儲運裝置水平?jīng)_擊

在運輸過程中，大多數(shù)的包裝產(chǎn)品都是通過堆碼的方式來進行陸路運輸。在運輸過程中經(jīng)常會出現(xiàn)制動的情況，此時整備儲運裝置沿車輛行駛方向發(fā)生沖擊。沖擊發(fā)生時，裝置的整個平面為受力面。運輸過程產(chǎn)生的水平?jīng)_擊是引起包裝件破損的重要原因[15]。為確保儲運裝置結(jié)構(gòu)可靠，模擬上述使用情況，在整備儲運裝置長邊方向施加6g的加速度，側(cè)板最大變形量為0.53 mm，滿足不產(chǎn)生塑性變形的要求。仿真結(jié)果見圖24。

圖24 整備儲運裝置水平?jīng)_擊變形Fig.24 Horizontal impact deformation of maintenance storage and transportation device

2.9 仿真小結(jié)

通過對底盤抗彎強度、底盤抗彎剛度、底盤抗壓強度、底盤抗壓剛度、鋪板強度、鋪板剛度、整備儲運裝置承壓、整備儲運裝置水平?jīng)_擊等項目進行仿真分析，得到各項目的仿真結(jié)果均滿足設(shè)計特征要求，具體見表3。

表3 儲運裝置仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of storage and transportation device

3 結(jié)語

對一體式快拆型防雨塵儲運裝置進行了材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析研究。通過使用環(huán)境要求開展了通用材料的選取工作，滿足整體強度、耐酸堿、使用溫度等設(shè)計要求；通過三維結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足叉裝要求、整體外形尺寸、防雨防塵、免工具作業(yè)、裝置質(zhì)量等設(shè)計要求；通過Ansys Workbench 開展了零件、整體的強度、剛度以及沖擊仿真。文中所提出的一體式快拆型防雨塵儲運裝置在設(shè)計上全面考慮了儲運裝置與常規(guī)托盤的使用習(xí)慣，同時各項功能均達(dá)到使用要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為儲運防護領(lǐng)域結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析提供了設(shè)計和數(shù)據(jù)參考。