非固定箱式托盤結構優化設計

李曉剛 薛婉婉 鄒圣揚 張立宏 蔡靜蕊 楊國超 楊明生

【摘 要】本文針對對固定箱式托盤存在的問題，基于壓桿壓曲強度條件，利用拉格朗日乘子法進行箱體尺寸優化設計，借助整體包裝設計系統和Solidedge軟件，進行參數化建模，并進行堆碼分析、叉裝分析、水平沖擊分析等有限元仿真分析，最后利用真實實驗驗證仿真結果。結果表明數學優化方法結合計算機軟件的設計方法不僅能夠保證箱體整體強度，也可降低材料成本，滿足使用要求。

【關鍵詞】箱式托盤 快速拆裝 有限元分析 試驗

箱式托盤是在平托盤上安裝上平板狀、網狀等構造物而形成的一種箱式設備[1]，用于裝載各種散裝物料，碼垛、運輸和儲存方便，是實現集裝化、機械化作業的重要手段和貨運載體[2]。但固定箱式托盤占據空間較大，導致庫房空間利用率及作業效率低下，物流成本隨之提高[3-5]。為了迎合現代企業對可拆卸箱式托盤的需求[6-7]，基于提高箱式托盤重復利用率，節約作業時間和成本，設計一種可拆卸箱式托盤，借助計算機軟件[8-9]實現參數化設計，通過仿真分析和實驗驗證設計方案。

1 托盤設計

1.1 托盤工作參數和模型

根據實際流通貨物的種類和數量，設定托盤承重為100kg-800kg，采用叉車裝卸時，四向進叉。根據國家標準[10]確定托盤結構和尺寸，具體尺寸見表1。

1.2 有限元分析

托盤材料選擇松木，彈性模型為10GPa，泊松比為0.49，屈服強度為70MPa，密度為559kg/m3。利用Solidedge軟件生成托盤的三維模型，并進行托盤抗彎強度的有限元仿真分析，分析顯示托盤在承受800kg的載荷時，產生的最大應力為13MPa，產生的最大位移為0.48mm。0.48/940×100%=0.05%<1.5%，符合抗彎強度試驗合格標準[11]，滿足要求。

2 箱體設計

箱體采用可拆卸式結構，側板以及側板與托盤之間采用鎖扣連接，形成穩固箱體。4塊側板采用柵欄結構，立板之間有一定間隙，通過與橫板釘接形成側板。柵欄結構取代板式全封閉結構以減少木材用量。

箱式托盤堆碼時，側板是主要承重構件，承受來自上層托盤和內裝物的重量。強度計算時，把側板看成壓桿，利用壓桿壓曲強度條件計算側板中立板的截面尺寸。壓桿壓曲強度條件[12]表示為：

（1）

式中：P為壓桿實際承受載荷，N；a為壓桿橫截面積，A=1B，；B為立板寬度，cm；l為壓桿長度，取L=cm；t為壓桿厚度，cm；為木材許用壓應力，。

設箱式托盤最大承載量為800kg，托盤和箱體自重約為100kg，堆碼時4塊側板承受的最大重量設定為920kg。設每塊側板的立板數量為n，則每塊立板承受的載荷，代入式（1），其他參數一并代入，化簡得：

（2）

立板之間有一定間隙，則所有立板寬度之和必須小于托盤長度110cm，即：

nh<110 （3）

在滿足壓桿強度條件和結構要求的前提下，希望側板木材用量最少。設側板木材體積為：

（4）

基于拉格朗日乘子法[13]，根據最優解求解過程[14]，求得t≥10.5mm。根據框架木箱側板厚度取值范圍，立板厚度t可取15mm、18mm和21mm。

由于箱體尺寸較大，為了保證箱體的抗壓強度，同時也要滿足式（3），立板寬度取b=50mm。載貨量低于1000kg時，側板的立板厚度應為18mm，考慮柵欄式側板的抗壓和抗沖擊性能較弱，立板厚度取21mm?？紤]立板間隙要合適且數量不宜過多，立板數量取n=12。

3 實驗結果與分析

3.1 仿真實驗

整體包裝設計系統[15]是一種包裝木箱參數化設計軟件，只需修改相應參數，箱式托盤模型能夠自動生成并修正結構，避免了繁瑣的計算和圖標查詢，通過參數化設計和有限元仿真分析，優化構件尺寸，獲得最佳方案。利用Solidedge的有限元分析模塊對箱式托盤模型進行堆碼分析、叉裝分析，水平沖擊分析等仿真分析。仿真實驗結果見圖1和表2。

從表2可以看出，箱式托盤堆碼1層時，3種厚度側板的最大應力均小于壓桿的許用壓應力5.88MPa，但側板厚度為21mm時的最大位移最??；水平沖擊加速度取10m/s2，1塊側板承受沖擊，從結果可知，側板厚度越大，箱體抗水平沖擊能力越強，雖然產生的應力和位移均大于堆碼分析和叉裝分析，但最大應力小于木材屈服極限70MPA，仍在允許范圍內。

3.2 真實實驗

（1）材料及設備

試驗設備：四川長江DCP-KY50k電腦測控抗壓試驗機。

試驗材料：側板厚度為21mm的箱式托盤3個，側板厚度為18mm的箱式托盤3個。

（2）結果與分析

樣箱放在抗壓試驗機的上下壓板之間，設定壓板下降的速度為10mm/min，進行抗壓試驗和堆碼試驗，抗壓試驗記錄載荷達到50kN時箱式托盤的變形。堆碼試驗的堆碼載荷為9016N，記錄箱式托盤產生的變形量，實驗結果見表3。從表3可以看出，側板厚度分別為18mm和21mm時，箱式托盤產生的變形均較小，與仿真實驗結果接近，箱體并無產生明顯破損現象，說明箱式托盤設計方案合理，實際運輸倉儲過程中能夠承受一定載荷，確保箱體及內裝貨物安全。

結語

（1）為提高物流作業效率和托盤利用率，降低物流成本，提出了一種可拆卸箱式托盤，4塊柵欄式側板通過搭扣與標準聯運托盤連接，形成穩固箱體。

（2）基于壓桿壓曲強度條件，進行箱體強度計算，利用拉格朗日乘子法進行優化設計，初定側板厚度為15mm、18mm和21mm。

（3）利用整體包裝設計系統的參數化功能以及Solidedge三維軟件的有限元分析功能，對三種側板厚度的箱式托盤進行堆碼分析、叉裝分析和水平沖擊分析，結果表明側板厚度越厚，箱體抗壓抗沖擊性能越好?？紤]到柵欄式側板抗水平沖擊能力相比全封閉箱體要弱一些，側板厚一些為宜，故側板厚度取21mm。最后真實試驗結果與仿真實驗結果基本一致，驗證通過。

（4）可拆卸箱式托盤提高了物流運輸的適應性，提高了托盤重復利用率，降低物流成本，減少資源浪費。數學優化方法結合計算機參數化設計和有限元分析的方式大大降低了托盤設計周期和成本，為箱式托盤在國內的發展提供理論依據和實驗依據。

參考文獻

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