一種面向航運(yùn)的新型40尺雙層折疊運(yùn)車架設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

中圖分類號(hào)：U169.3 收稿日期：2025-03-05 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.019

Abstract：Withtheincreasingdemandforeicientloadingndspaceutilizationinthelogisticstransportationindustrytraditional single-layercaracksvebecomeisufcientforodetasportatioeds，especiallforong-distaceceantransportofveicles.Toadrestisallnge，ovelfootdouble-yerfoldingcarrackspecificallydesignedfrmaritietransportatonispr posedinthispaper.Testructurallayoutensuresthatinthefoldedate，itompletelyfitsithintheintealdimensiosof4foot standardcontainerfaclitatinglandtransportandemptyrackreturn；intheunfoledstate，therackcanloadfourpassengerarsandis suitableforstackingandsecuringonshipdecks.Keycompoentsofterackincludehingebases，supportframes，andbaseframes，all madeofhigh-strengthsteeltoguaranteestructuralstrengthandrigidityunderharshmaritieconditions.Finiteelementanalysis（FEA） wasconductedonthecriticalperformanceofthesupportframe.Teresultsindicatethatunderauniformloadoftons，themaximum deformation is 3.24mm and the maximum stress is 174.4MPa ，both satisfying the design requirements.This research provides new insights and references for the design of logistics transportation equipment used in maritime applications.

Keywords：Car rack;Double-layer;Folding；maritime transportation;Structural performance

1前言

隨著物流運(yùn)輸行業(yè)的迅速發(fā)展，運(yùn)輸設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化需求日益突出?，F(xiàn)代物流運(yùn)輸尤其是國(guó)際汽車航運(yùn)領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)高效裝載、空間利用率及運(yùn)輸適配性的提升，而傳統(tǒng)的單層運(yùn)車架在這些方面存在顯著的局限性，已難以滿足日益增長(zhǎng)的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸需求。特別是在長(zhǎng)距離跨區(qū)域甚至跨洲運(yùn)輸中，如何在有限的船舶空間內(nèi)安全裝載更多車輛，同時(shí)確保運(yùn)輸裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性，已成為航運(yùn)工業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)[1-2]。針對(duì)這一需求，不僅需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新，還需要綜合考慮多種工況下的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，包括滿載、裝卸、運(yùn)輸震動(dòng)和環(huán)境變化等[3]。

在當(dāng)前物流運(yùn)輸設(shè)備市場(chǎng)中，雙層運(yùn)車架因其較高的裝載能力和空間利用率，逐漸成為一種解決方案[4]。然而，現(xiàn)有的雙層運(yùn)車架設(shè)計(jì)仍面臨一系列技術(shù)難題。一方面，傳統(tǒng)車架設(shè)計(jì)在復(fù)雜工況下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性難以滿足要求，尤其在滿載情況下容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形等問題。這種結(jié)構(gòu)性能的不足，不僅影響運(yùn)輸安全性，還可能增加設(shè)備的維護(hù)成本和使用風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，為了提升空間利用率，雙層運(yùn)車架通常設(shè)計(jì)有復(fù)雜的折疊機(jī)構(gòu)。然而，這些折疊機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中可能缺乏足夠的可靠性，不僅容易出現(xiàn)操作困難，還可能在運(yùn)輸振動(dòng)或惡劣環(huán)境下發(fā)生損壞，進(jìn)而影響設(shè)備壽命和運(yùn)輸效率。

此外，國(guó)際航運(yùn)業(yè)對(duì)車輛運(yùn)輸裝置提出了更加嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括設(shè)備尺寸適配性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性及通用性等要求。尤其在跨國(guó)海運(yùn)中，運(yùn)車架折疊狀態(tài)下需嚴(yán)格適配國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的內(nèi)部尺寸，同時(shí)在展開狀態(tài)下滿足車輛的安全裝載與海運(yùn)工況的嚴(yán)苛要求[5]。這就要求運(yùn)輸設(shè)備設(shè)計(jì)在兼顧高裝載能力的同時(shí)，確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全裕度和實(shí)際操作的便利性[6]。這些挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇了雙層運(yùn)車架設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，也對(duì)工程設(shè)計(jì)和分析提出了更高的要求。

為解決上述問題并有效應(yīng)對(duì)行業(yè)需求，本文提出了一種專用于航運(yùn)的新型40尺雙層折疊運(yùn)車架設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以優(yōu)化空間利用率、提高航運(yùn)裝載能力為核心目標(biāo)，嚴(yán)格遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)部尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保運(yùn)輸適配性和通用性；并采用有限元分析技術(shù)評(píng)估了運(yùn)車架關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能，以確保滿足航運(yùn)特殊工況下的安全性與穩(wěn)定性要求。該運(yùn)車架展開狀態(tài)可在船舶甲板露天堆疊運(yùn)輸，折疊狀態(tài)可裝入標(biāo)準(zhǔn)集裝箱便于運(yùn)輸或回運(yùn)，提高了運(yùn)輸設(shè)備的靈活性。

2新型折疊運(yùn)車架的設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)方案

目前廣泛使用的單層運(yùn)車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但裝載效率不足，運(yùn)輸能力受限。如圖1所示，單層運(yùn)車架在船舶甲板堆疊運(yùn)輸時(shí)裝載車輛數(shù)量有限，單層運(yùn)車架折疊后雖然可放入標(biāo)準(zhǔn)集裝箱運(yùn)輸，但回運(yùn)效率較低，增加了運(yùn)輸成本。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的40尺雙層折疊運(yùn)車架，以優(yōu)化空間利用率、提高航運(yùn)裝載能力為核心目標(biāo)。

新型折疊運(yùn)車架總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由端柱、鉸鏈座、底架、支撐柱和支撐架組成。兩個(gè)支撐架對(duì)稱布置，通過支撐柱穩(wěn)固地安裝在底架上，端柱與支撐架均可通過具有自鎖功能的鉸鏈座折疊于底架之上，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計(jì)，方便在非工作狀態(tài)下的存儲(chǔ)和運(yùn)輸。運(yùn)車架的尺寸設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循40尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的內(nèi)部尺寸（長(zhǎng) 12024mm× 寬 2352mm× 高 2390mm ，在折疊狀態(tài)下能夠完全適配集裝箱的空間要求；而在展開狀態(tài)下，其尺寸為長(zhǎng) 12.032m× 寬 2.352m× 高 2.385m 能夠裝載4輛轎車。

為了保證實(shí)際裝載能力，折疊運(yùn)車架的內(nèi)部尺寸參考了大眾高爾夫（兩廂汽車）車輛參數(shù)（長(zhǎng) 4296mm× 寬1 788mm×1 471mm ，確保車輛能夠順利裝入并穩(wěn)定固定。

折疊運(yùn)車架的工作原理如圖3所示。圖3a展示了雙層運(yùn)車架的初始折疊狀態(tài)。裝載車輛時(shí)分以下四步：

a.打開兩側(cè)端柱，將端柱展開至豎直位置，如圖3b所示；b.調(diào)節(jié)支撐架并放置引橋，將兩輛汽車倒入支撐架上，如圖3c所示；c.由叉車將支撐架挑起至適當(dāng)位置，并用插銷固定在支撐柱上，如圖3d所示；d.重新放置引橋，將另外兩輛汽車駛?cè)说准苌?，如圖3e所示。圖3f所示為裝載完畢的運(yùn)車架狀態(tài)。

2.2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

折疊運(yùn)車架由多個(gè)功能部件模塊組成，其中鉸鏈座、支撐架與底架是確保運(yùn)車架正常運(yùn)行的核心結(jié)構(gòu)。鉸鏈座負(fù)責(zé)端柱與支撐柱在折疊與展開狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，并通過自鎖功能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性；支撐架與底架則承擔(dān)運(yùn)車架上車輛的重量，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和輕量化設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)車架整體性能具有重要影響。

鉸鏈座作為端柱或支撐柱折疊與展開的核心部件，其主要功能是實(shí)現(xiàn)折疊與展開過程中的自鎖和解鎖（圖4）。在運(yùn)車架從折疊狀態(tài)轉(zhuǎn)換至展開狀態(tài)時(shí)，內(nèi)鉸鏈通過鉸鏈銷與支撐柱協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng)，由水平狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)。在這一過程中，插銷沿導(dǎo)向限位塊的斜面向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)內(nèi)鉸鏈完全轉(zhuǎn)至豎直位置后，插銷因重力作用下落并進(jìn)入導(dǎo)向限位塊，完成自鎖（圖4a）。從展開狀態(tài)轉(zhuǎn)換至折疊狀態(tài)時(shí)，需通過腳踩踏板進(jìn)行解鎖操作。踏板通過銷軸帶動(dòng)支撐柱運(yùn)動(dòng)，支撐柱沿導(dǎo)向限位塊的槽推動(dòng)插銷至最高位置，隨后內(nèi)鉸鏈逐步轉(zhuǎn)回水平狀態(tài)，插銷退出限位塊，完成解鎖與折疊（圖4b）。

底架作為車架的主體結(jié)構(gòu)，是整個(gè)折疊運(yùn)車架承載與連接的核心部分，其設(shè)計(jì)需具備較高的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。為滿足承載能力的需求，底架采用邊梁式結(jié)構(gòu)，有效提高了整體載荷性能（圖5a）。同時(shí)，底架上配置鉸鏈機(jī)構(gòu)，與端柱及支撐柱相連接，以實(shí)現(xiàn)車架的折疊與鎖定功能，從而確保折疊狀態(tài)與工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。為增強(qiáng)底架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并延長(zhǎng)使用壽命，整體選用高強(qiáng)度H型鋼作為主要材料。

支撐架框架采用側(cè)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在框架內(nèi)布置多根橫向梁和沖孔壓板（圖5b）。在車輛承載過程中，側(cè)梁作為主體承載構(gòu)件，通過焊接連接至橫梁，橫梁將載荷分散并傳遞至縱梁。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效降低局部應(yīng)力集中，提升支撐架整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。同時(shí)，通過優(yōu)化支撐架材料與截面形式，支撐架實(shí)現(xiàn)了在保持強(qiáng)度的前提下盡可能降低自重，滿足了輕量化和運(yùn)輸適配性的雙重要求。

3結(jié)構(gòu)有限元分析

支撐板是折疊運(yùn)車架的關(guān)鍵承載部件，其設(shè)計(jì)需在滿足輕量化要求的同時(shí)具備足夠的強(qiáng)度和剛度。在車輛裝載時(shí)，支撐板處于懸空狀態(tài)，僅通過兩端的側(cè)梁連接至支撐柱。懸空狀態(tài)下，支撐板承受車輛重量的集中載荷，其結(jié)構(gòu)性能對(duì)車輛裝載的平穩(wěn)性以及運(yùn)車架整體的安全性具有決定性影響。因此，對(duì)支撐板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核至關(guān)重要。為評(píng)估支撐板在實(shí)際工況下的承載能力及變形特性，對(duì)其主體框架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。

有限元模型中，支撐板的主體框架由橫梁和側(cè)梁組成，依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行建模，各構(gòu)件通過剛性連接模擬焊接狀態(tài)。材料選擇為Q345高強(qiáng)度鋼。為保證計(jì)算精度，同時(shí)兼顧計(jì)算效率，支撐板模型采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。橫梁與側(cè)梁連接區(qū)域由于承受較大應(yīng)力集中，采用較細(xì)密的網(wǎng)格劃分以捕捉應(yīng)力分布細(xì)節(jié)，單元尺寸控制在 5mm 左右；對(duì)于受力相對(duì)均勻的部位，如側(cè)梁中段，采用稍大的網(wǎng)格以減少計(jì)算量。整體網(wǎng)格劃分經(jīng)過多次收斂性測(cè)試，確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。載荷與邊界條件基于實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)置。車輛總重量為2t，載荷以均勻靜載荷的形式施加在車輪與支撐板接觸區(qū)域附近的橫梁與側(cè)梁連接處，模擬車輛通過輪胎傳遞至支撐板的真實(shí)受力情況。為模擬支撐板的懸空狀態(tài)，在兩端橫梁與支撐柱連接處施加固定約束。

支撐架的仿真結(jié)果如圖6所示。在2t均勻載荷作用下，支撐板的最大變形發(fā)生在側(cè)梁中間部位，變形量為3.24mm ，表明在現(xiàn)有設(shè)計(jì)下支撐板具有良好的剛度和抗變形能力。變形值遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)允許范圍，未對(duì)車輛裝載的平穩(wěn)性產(chǎn)生顯著影響。應(yīng)力分布分析顯示，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在橫梁與側(cè)梁的連接區(qū)域，為174.4 MPa，僅為材料屈服強(qiáng)度的50.50/0。應(yīng)力值遠(yuǎn)低于0345鋼的屈服強(qiáng)度，表明支撐板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足強(qiáng)度要求。

4結(jié)語

本文提出了一種面向航運(yùn)的新型40尺雙層折疊運(yùn)車架設(shè)計(jì)，以解決現(xiàn)有單層運(yùn)車架裝載效率低、運(yùn)輸成本高的問題。該設(shè)計(jì)在展開狀態(tài)下可在船舶甲板露天堆疊運(yùn)輸，折疊狀態(tài)下可放人標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸或空架回運(yùn)，提高了航運(yùn)運(yùn)輸設(shè)備的靈活性。運(yùn)車架中的鉸鏈座通過自鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了端柱與支撐柱的穩(wěn)定折疊與展開，支撐架與底架采用高強(qiáng)度鋼材料，具備足夠的承載能力與結(jié)構(gòu)剛度。有限元分析結(jié)果表明，支撐架在承受2t均勻載荷工況下，最大變形為3.24 mm，最大應(yīng)力為174.4 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求，充分保障了車輛裝載的穩(wěn)定性與航運(yùn)運(yùn)輸?shù)陌踩?。該新型運(yùn)車架結(jié)構(gòu)緊湊、裝載能力強(qiáng)，適合海上運(yùn)輸，具有良好的工程應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙毫杰，劉園，張超，等．基于靈敏度分析的無人集運(yùn)車車架輕量化仿真分析[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2024，62（12）：45-49+54．

[2]李軍，鐵路運(yùn)輸轎車載運(yùn)工具的優(yōu)化配置[J]，中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2015（9）：277．

[3]丁曉霖．基于隨機(jī)振動(dòng)損傷分析的轎運(yùn)車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[D]揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2020．

[4]徐醫(yī)培．一種鋁合金單軸廂式運(yùn)輸半掛車的研究開發(fā)[J]．福建冶金，2025，54（1）：52-55．

[5]李俊敏，唐偉敏，馮飛．轎車集裝箱運(yùn)輸設(shè)計(jì)方案的建模與仿真[J]船海工程，2007（4）：120-122.

[6]黃甜芳，彭凱，徐瀟寒，等，中置軸轎運(yùn)車車架性能研究[J]．重型汽車，2024（2）：11-12．

作者簡(jiǎn)介：

陳建軍，男，1976年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榧b箱領(lǐng)域設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)等全領(lǐng)域開發(fā)與管理。

朱勇波（通訊作者），男，1990年生，工程師，研究方向?yàn)榧b箱領(lǐng)域設(shè)計(jì)開發(fā)。