組件式中空板周轉箱的力學性能分析

中空板周轉箱在堆碼過程中，常常會發生箱體變形現象，導致內裝物損壞，其原因可能是中空板周轉箱結構的承重能力較弱�？紤]到運輸過程諸多環境因素的影響，可能遭受跌落等沖擊作用，因此文中選用折疊式側開中空板周轉箱進行靜態壓縮和動態跌落仿真實驗來分析其力學性能。

1、靜態壓縮性能

由于組合式中空板周轉箱組件較多，組件之間的接觸點多，為了保證仿真的正確性，以及在后續的網格劃分及接觸設置過程中不出現錯誤，利用AnsysWorkbench軟件進行仿真測試前，先將模型進行簡化處理，再進行結構應力分析仿真，在中空板周轉箱上表面施加恒定壓力載荷來分析結構的效應，即分析在穩態載荷條件下引起的系統或部件的位移、應力。假定載荷不變，即假設載荷隨時間的變化非常緩慢，通過試驗結果判斷載荷是否會對內裝物以及中空板周轉箱的使用壽命造成較大影響。利用AnsysWorkbench有限元軟件進行的結構應力分析步驟可分為前處理、求解、通用后處理階段。

1.1前處理

1）導入三維模型后，定義材料屬性。聚丙烯（PP）材料的物理參數設定為：彈性模量E=896MPa，泊松比μ=0.41，密度ρ=8.90×102kg/m3。側板、底板、蓋等定義為PP，各類軸和跌落面設置為structuralsteel。

2）定義接觸類型。導入裝配體時，系統自動生成綁定接觸，設置側板間為無摩擦接觸，軸與側板之間為摩擦接觸，摩擦因數為0.3。

3）劃分網格。網格劃分過程中，選擇合適的網格類型、尺寸等是劃分高質量網格的關鍵，也是有限分析過程中至關重要的一步。由于各組件的結構較為規則，且組件較多，為了減少計算量，這里采用四面體單元自動劃分網格，網格尺寸以系統參照性設置為Coarse。劃分后的有限元模型見圖6，單元數量為37418個，節點數量為77558個，網格平均質量參數為0.74337，屬于較為正常的網格范圍；網格偏度為0.40075，說明細節網格仍有較大偏差，但小于系統求解參數0.7，對求解結果影響不大。

1.2添加載荷和邊界條件

對中空板周轉箱地面進行固定約束。假定中空板周轉箱堆碼放置時，最底層中空板周轉箱承受350N的重力，則可設定在中空板周轉箱的上表面施加垂直的恒定載荷為350N，其他參數保持默認設置。

1.3求解

求解器按默認方式，定義等效應力、應變云圖和位移云圖，然后進行求解。

1.4分析與結果

云圖以顏色梯度的形式表示中空板周轉箱的應力、應變和位移的變化，在圖形窗口下方是動畫演示效果，可以觀察每一步的狀態。在恒定壓力狀態下，中空板周轉箱靜態壓縮時的等效應力、等效應變和位移云圖見圖7。

在空箱狀態下，靜壓力作用過程中周轉箱的應力、應變與位移可以真實地反映中空板周轉箱的受力、變形和位置變化情況。由圖7a可看出，周轉箱的最大應力在底部側板的轉軸位置，其應力為4.678MPa，遠遠小于所使用PP材料的屈服強度114.2MPa，符合PP材料的強度要求。由7b可知其對應的最大應變量為0.0725%，表明其形變極其微小。在進行靜態壓縮時，由于力的作用，組件之間將產生位移，從而會影響周轉箱的穩定性。由圖7c可知，最大位移發生在側板底部，最大位移為109.8μm，位移量小，不影響周轉箱的使用，這可能和結構設計時底部轉軸與側板的接觸不佳有關，可以對其進行改進。由于模型簡化了加強筋，實際位移和應變量可能會更小，因而中空板周轉箱的強度可滿足要求。另外，作為連接件，轉軸的受力情況很重要，它決定是否會產生變形，從而決定周轉箱能否正常開啟、折疊與承重。靜態下轉軸的等效應力見圖8，可以看出，其最大應力為945.3kPa，遠遠小于其許用應力值。

以上的仿真計算和分析很好地驗證了在堆碼狀態下可折疊側開式中空板周轉箱的堆碼能力，符合日常運輸包裝的需求。

2、動態跌落仿真實驗

為了盡可能仿真實際跌落環境，這里設置3種跌落狀態，分別為角跌落、棱跌落、面跌落，跌落地面設置為剛性，選擇跌落狀態為理想化的空箱跌落。跌落仿真前處理與結構靜力分析的步驟相同，即導入模型、定義材料、設置接觸、網格劃分等，跌落仿真增加了1個模型地面，將它設置成剛體，同時調整箱體與地面的相對位置，分別仿真點、棱、面跌落。為剛性地面添加固定約束，給定整體垂直于地面向下的重力加速度為9.81m/s2，設定箱體的初速度為3.5m/s，和重力方向一致，并設置endtime為0.002s，其他設置均保持默認。文中分析內容為折疊式側開中空板周轉箱的角跌落，其結果見圖9—10。由圖9可以看出，整個裝配體應變主要集中在底板、側板及其連接軸上，最大應變為3.31%，應變非常細微，該位置處于在底板底端與地面接觸點，對應圖10a中最大應力為38.151MPa的位置，該值遠遠小于所使用PP材料的屈服強度。

分析其原因可能是跌落時周轉箱與地面剛性接觸，其底部最先受到沖擊作用而產生應變，由下而上，應變逐漸減弱；同時也傳遞給與之相連的側板和連接軸上，箱體應變分布較為均勻。由此，可通過分析底板、側板及其連接軸的應力來觀察角跌落對周轉箱的影響。由圖10b—c可知，側板最大應力發生在與轉軸連接處，為14.849MPa；轉軸最大應力發生在與板接觸的部位，為12.29MPa。側板與轉軸的最大應力值都很小，遠遠小于其材料的許用應力值。

由以上分析可知，中空板周轉箱在1.2m的高度下跌落時，其結構能滿足強度要求，能夠適應實際生產的跌落環境。由于在角跌落時結構穩定性最容易被破壞，故在理想跌落狀態下，中空板周轉箱的角、棱、面的跌落均符合實際運用需求。

針對傳統中空板周轉箱卸貨費力的缺點，設計了可折疊側開式中空板周轉箱，卸貨時可省時省力。針對家用中空板周轉箱空閑時占用空間較大、搬運費力的缺點，設計了插板式中空板周轉箱，使得空載時可以拆卸平放、節省空間，搬運時也更方便。利用Pro/E對折疊式側開中空板周轉箱建模，再利用AnsysWorkbench軟件進行靜態壓縮和動態跌落仿真實驗，分析得到周轉箱的應力、應變和位移云圖，對其力學性能進行了驗證，證明周轉箱的設計強度可滿足要求，但可能存在安全裕量大導致過度包裝的問題。在后續研究中，可以對中空板進行以下研究。

1）設計強度可滿足要求，因此如何確定最優的結構尺寸和零件材料，能同時保證周轉箱的“功能性”和“安全性”，更好地優化設計結構，是今后應關注的問題之一。

2）中空板周轉箱在運輸過程中處于隨機振動狀態，由于中空板周轉箱重復使用率高，有可能在使用過程中出現疲勞失效，有必要對其組件進行振動模態和強度分析，找到易于發生疲勞損壞的薄弱環節。

3）該設計所有的仿真均是以空箱為對象的理想狀態，考慮到操作和計算的難度，未在箱體內放置填充物。若通過對含有內裝物的包裝件仿真，能更真實地反映其外包裝在實際工作環境中的性能，從而能進一步研究和完善優化周轉箱設計方案。