組件式中空闆周轉箱的(de)力學性能分(fēn)析

中空闆周轉箱在堆碼過程中，常常會發生箱體變形現象，導緻内裝物(wù)損壞，其原因可(kě)能是中空闆周轉箱結構的(de)承重能力較弱。考慮到運輸過程諸多(duō)環境因素的(de)影(yǐng)響，可(kě)能遭受跌落等沖擊作用(yòng)，因此文中選用(yòng)折疊式側開中空闆周轉箱進行靜态壓縮和(hé)動态跌落仿真實驗來(lái)分(fēn)析其力學性能。

1、靜态壓縮性能

由于組合式中空闆周轉箱組件較多(duō)，組件之間的(de)接觸點多(duō)，爲了(le)保證仿真的(de)正确性，以及在後續的(de)網格劃分(fēn)及接觸設置過程中不出現錯誤，利用(yòng)AnsysWorkbench軟件進行仿真測試前，先将模型進行簡化(huà)處理(lǐ)，再進行結構應力分(fēn)析仿真，在中空闆周轉箱上表面施加恒定壓力載荷來(lái)分(fēn)析結構的(de)效應，即分(fēn)析在穩态載荷條件下(xià)引起的(de)系統或部件的(de)位移、應力。假定載荷不變，即假設載荷随時(shí)間的(de)變化(huà)非常緩慢(màn)，通(tōng)過試驗結果判斷載荷是否會對(duì)内裝物(wù)以及中空闆周轉箱的(de)使用(yòng)壽命造成較大(dà)影(yǐng)響。利用(yòng)AnsysWorkbench有限元軟件進行的(de)結構應力分(fēn)析步驟可(kě)分(fēn)爲前處理(lǐ)、求解、通(tōng)用(yòng)後處理(lǐ)階段。

1.1前處理(lǐ)

1）導入三維模型後，定義材料屬性。聚丙烯（PP）材料的(de)物(wù)理(lǐ)參數設定爲：彈性模量E=896MPa，泊松比μ=0.41，密度ρ=8.90×102kg/m3。側闆、底闆、蓋等定義爲PP，各類軸和(hé)跌落面設置爲structuralsteel。

2）定義接觸類型。導入裝配體時(shí)，系統自動生成綁定接觸，設置側闆間爲無摩擦接觸，軸與側闆之間爲摩擦接觸，摩擦因數爲0.3。

3）劃分(fēn)網格。網格劃分(fēn)過程中，選擇合适的(de)網格類型、尺寸等是劃分(fēn)高(gāo)質量網格的(de)關鍵，也(yě)是有限分(fēn)析過程中至關重要的(de)一步。由于各組件的(de)結構較爲規則，且組件較多(duō)，爲了(le)減少計算(suàn)量，這(zhè)裏采用(yòng)四面體單元自動劃分(fēn)網格，網格尺寸以系統參照(zhào)性設置爲Coarse。劃分(fēn)後的(de)有限元模型見圖6，單元數量爲37418個(gè)，節點數量爲77558個(gè)，網格平均質量參數爲0.74337，屬于較爲正常的(de)網格範圍；網格偏度爲0.40075，說明(míng)細節網格仍有較大(dà)偏差，但小于系統求解參數0.7，對(duì)求解結果影(yǐng)響不大(dà)。

1.2添加載荷和(hé)邊界條件

對(duì)中空闆周轉箱地面進行固定約束。假定中空闆周轉箱堆碼放置時(shí)，最底層中空闆周轉箱承受350N的(de)重力，則可(kě)設定在中空闆周轉箱的(de)上表面施加垂直的(de)恒定載荷爲350N，其他(tā)參數保持默認設置。

1.3求解

求解器按默認方式，定義等效應力、應變雲圖和(hé)位移雲圖，然後進行求解。

1.4分(fēn)析與結果

雲圖以顔色梯度的(de)形式表示中空闆周轉箱的(de)應力、應變和(hé)位移的(de)變化(huà)，在圖形窗(chuāng)口下(xià)方是動畫(huà)演示效果，可(kě)以觀察每一步的(de)狀态。在恒定壓力狀态下(xià)，中空闆周轉箱靜态壓縮時(shí)的(de)等效應力、等效應變和(hé)位移雲圖見圖7。

在空箱狀态下(xià)，靜壓力作用(yòng)過程中周轉箱的(de)應力、應變與位移可(kě)以真實地反映中空闆周轉箱的(de)受力、變形和(hé)位置變化(huà)情況。由圖7a可(kě)看出，周轉箱的(de)最大(dà)應力在底部側闆的(de)轉軸位置，其應力爲4.678MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所使用(yòng)PP材料的(de)屈服強度114.2MPa，符合PP材料的(de)強度要求。由7b可(kě)知其對(duì)應的(de)最大(dà)應變量爲0.0725%，表明(míng)其形變極其微小。在進行靜态壓縮時(shí)，由于力的(de)作用(yòng)，組件之間将産生位移，從而會影(yǐng)響周轉箱的(de)穩定性。由圖7c可(kě)知，最大(dà)位移發生在側闆底部，最大(dà)位移爲109.8μm，位移量小，不影(yǐng)響周轉箱的(de)使用(yòng)，這(zhè)可(kě)能和(hé)結構設計時(shí)底部轉軸與側闆的(de)接觸不佳有關，可(kě)以對(duì)其進行改進。由于模型簡化(huà)了(le)加強筋，實際位移和(hé)應變量可(kě)能會更小，因而中空闆周轉箱的(de)強度可(kě)滿足要求。另外，作爲連接件，轉軸的(de)受力情況很重要，它決定是否會産生變形，從而決定周轉箱能否正常開啓、折疊與承重。靜态下(xià)轉軸的(de)等效應力見圖8，可(kě)以看出，其最大(dà)應力爲945.3kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用(yòng)應力值。

以上的(de)仿真計算(suàn)和(hé)分(fēn)析很好地驗證了(le)在堆碼狀态下(xià)可(kě)折疊側開式中空闆周轉箱的(de)堆碼能力，符合日常運輸包裝的(de)需求。

2、動态跌落仿真實驗

爲了(le)盡可(kě)能仿真實際跌落環境，這(zhè)裏設置3種跌落狀态，分(fēn)别爲角跌落、棱跌落、面跌落，跌落地面設置爲剛性，選擇跌落狀态爲理(lǐ)想化(huà)的(de)空箱跌落。跌落仿真前處理(lǐ)與結構靜力分(fēn)析的(de)步驟相同，即導入模型、定義材料、設置接觸、網格劃分(fēn)等，跌落仿真增加了(le)1個(gè)模型地面，将它設置成剛體，同時(shí)調整箱體與地面的(de)相對(duì)位置，分(fēn)别仿真點、棱、面跌落。爲剛性地面添加固定約束，給定整體垂直于地面向下(xià)的(de)重力加速度爲9.81m/s2，設定箱體的(de)初速度爲3.5m/s，和(hé)重力方向一緻，并設置endtime爲0.002s，其他(tā)設置均保持默認。文中分(fēn)析内容爲折疊式側開中空闆周轉箱的(de)角跌落，其結果見圖9—10。由圖9可(kě)以看出，整個(gè)裝配體應變主要集中在底闆、側闆及其連接軸上，最大(dà)應變爲3.31%，應變非常細微，該位置處于在底闆底端與地面接觸點，對(duì)應圖10a中最大(dà)應力爲38.151MPa的(de)位置，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所使用(yòng)PP材料的(de)屈服強度。

分(fēn)析其原因可(kě)能是跌落時(shí)周轉箱與地面剛性接觸，其底部最先受到沖擊作用(yòng)而産生應變，由下(xià)而上，應變逐漸減弱；同時(shí)也(yě)傳遞給與之相連的(de)側闆和(hé)連接軸上，箱體應變分(fēn)布較爲均勻。由此，可(kě)通(tōng)過分(fēn)析底闆、側闆及其連接軸的(de)應力來(lái)觀察角跌落對(duì)周轉箱的(de)影(yǐng)響。由圖10b—c可(kě)知，側闆最大(dà)應力發生在與轉軸連接處，爲14.849MPa；轉軸最大(dà)應力發生在與闆接觸的(de)部位，爲12.29MPa。側闆與轉軸的(de)最大(dà)應力值都很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其材料的(de)許用(yòng)應力值。

由以上分(fēn)析可(kě)知，中空闆周轉箱在1.2m的(de)高(gāo)度下(xià)跌落時(shí)，其結構能滿足強度要求，能夠适應實際生産的(de)跌落環境。由于在角跌落時(shí)結構穩定性最容易被破壞，故在理(lǐ)想跌落狀态下(xià)，中空闆周轉箱的(de)角、棱、面的(de)跌落均符合實際運用(yòng)需求。

針對(duì)傳統中空闆周轉箱卸貨費力的(de)缺點，設計了(le)可(kě)折疊側開式中空闆周轉箱，卸貨時(shí)可(kě)省時(shí)省力。針對(duì)家用(yòng)中空闆周轉箱空閑時(shí)占用(yòng)空間較大(dà)、搬運費力的(de)缺點，設計了(le)插闆式中空闆周轉箱，使得(de)空載時(shí)可(kě)以拆卸平放、節省空間，搬運時(shí)也(yě)更方便。利用(yòng)Pro/E對(duì)折疊式側開中空闆周轉箱建模，再利用(yòng)AnsysWorkbench軟件進行靜态壓縮和(hé)動态跌落仿真實驗，分(fēn)析得(de)到周轉箱的(de)應力、應變和(hé)位移雲圖，對(duì)其力學性能進行了(le)驗證，證明(míng)周轉箱的(de)設計強度可(kě)滿足要求，但可(kě)能存在安全裕量大(dà)導緻過度包裝的(de)問題。在後續研究中，可(kě)以對(duì)中空闆進行以下(xià)研究。

1）設計強度可(kě)滿足要求，因此如何确定最優的(de)結構尺寸和(hé)零件材料，能同時(shí)保證周轉箱的(de)“功能性”和(hé)“安全性”，更好地優化(huà)設計結構，是今後應關注的(de)問題之一。

2）中空闆周轉箱在運輸過程中處于随機振動狀态，由于中空闆周轉箱重複使用(yòng)率高(gāo)，有可(kě)能在使用(yòng)過程中出現疲勞失效，有必要對(duì)其組件進行振動模态和(hé)強度分(fēn)析，找到易于發生疲勞損壞的(de)薄弱環節。

3）該設計所有的(de)仿真均是以空箱爲對(duì)象的(de)理(lǐ)想狀态，考慮到操作和(hé)計算(suàn)的(de)難度，未在箱體内放置填充物(wù)。若通(tōng)過對(duì)含有内裝物(wù)的(de)包裝件仿真，能更真實地反映其外包裝在實際工作環境中的(de)性能，從而能進一步研究和(hé)完善優化(huà)周轉箱設計方案。