彭賢峰,李　過(guò)（.臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院；.浙江凱華模具有限公司,浙江　臺(tái)州　3800）

基于ANSYS workbench的塑料托盤有限元分析

彭賢峰1,李過(guò)2
（1.臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院；2.浙江凱華模具有限公司,浙江臺(tái)州318020）

摘要：通過(guò)對(duì)塑料托盤進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和利用三維造型軟件UG建立模型，對(duì)其在工作過(guò)程中受力和跌落進(jìn)行了有限元分析。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，有限元分析結(jié)果得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明，在塑料托盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用有限元分析的方法可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一條新的思路。

關(guān)鍵詞：塑料托盤；有限元分析；三維模型

塑料托盤（pallet）是為了便于貨物裝卸、運(yùn)輸、保管和配送等而使用的負(fù)荷面和叉車插口構(gòu)成的裝卸用墊板。塑料托盤引進(jìn)后廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸行業(yè)并成為物流行業(yè)重要的器具，多年來(lái)，塑料托盤一直采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其結(jié)構(gòu)的合理性有待進(jìn)一步研究，在運(yùn)輸管理及儲(chǔ)存過(guò)程中，存在多種載荷形式，其中以靜載荷為主，如果設(shè)計(jì)不合理，托盤的安全性得不到保障。因此通過(guò)對(duì)塑料托盤進(jìn)行CAE分析來(lái)模擬各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中潛在的問(wèn)題，這對(duì)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，減少研發(fā)費(fèi)用有重要的意義[1]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)托盤的結(jié)構(gòu)分析并應(yīng)用在設(shè)計(jì)上研究主要有：桑軍等人基于CosmosWorks進(jìn)行了整裝整卸托盤縱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)[2],何為宏等人基于PRO-Mechanic分析了木質(zhì)托盤結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)系數(shù)[3],尹恩強(qiáng)等人基于ANSYS有限元分析軟件分析并確定了托盤的結(jié)構(gòu)要素[4],馬衛(wèi)靜等人基于ANSYS對(duì)托盤板材在靜態(tài)承重與叉車叉起時(shí)的力學(xué)性能和承載性能進(jìn)行了分析[5]，國(guó)外J.H,LIM等人利用有限元法對(duì)托盤的靜態(tài)變形進(jìn)行了比較研究[6]。

1　模型建立

塑料托盤材料為HDPE,彈性模量為11GPa,泊松比為0.42,抗彎強(qiáng)度為387MPa,屈服強(qiáng)度為250MPa,質(zhì)量密度為950kg/m3。利用UG基于特征的參數(shù)化造型功能,可建立該托盤的三維模型，將模型導(dǎo)入到ANSYSworkbench進(jìn)行幾何清理，最后網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格化后塑料托盤有限元模型見圖3，劃分完畢后共有節(jié)點(diǎn)1061698，單元數(shù)為596815，skewness=0.95的單元數(shù)為695，滿足了分析需要。

2　有限元仿真分析

塑料托盤檢驗(yàn)測(cè)試是模擬產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中可能經(jīng)受各種振動(dòng)、受壓、跌落、沖擊、溫濕度等環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品造成的破壞而進(jìn)行的。塑料托盤產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能直接關(guān)系到消費(fèi)者的利益，塑料托盤的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)具體可以參考國(guó)際安全運(yùn)輸協(xié)會(huì)ISTA運(yùn)輸包裝測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

塑料托盤檢驗(yàn)項(xiàng)目如下：

（1）靜載實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)負(fù)荷：P=4000kg持續(xù)時(shí)間：24H試驗(yàn)后，撓曲率≤5%試驗(yàn)后無(wú)影響使用的裂紋和變形。

（2）跌落試驗(yàn)跌落高度：500mm，試驗(yàn)后，無(wú)影響使用的裂紋和變形。

根據(jù)實(shí)際流通過(guò)程中的工作壓力與實(shí)驗(yàn)平均壓力來(lái)確定模擬實(shí)際工作載荷[7]。對(duì)托盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模型簡(jiǎn)化時(shí)，可將上面的受力簡(jiǎn)化為均布載荷，由于要求靜力載荷為4×104N，均布載荷為q=W/ S,其中S為上面的承載面積。根據(jù)托盤的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以計(jì)算出q=0.4MPa。托盤在使用過(guò)程中主要是各構(gòu)件強(qiáng)度超過(guò)材料實(shí)際屈服強(qiáng)度,造成產(chǎn)品破壞,所以在此以HDPE的屈服強(qiáng)度作為校核產(chǎn)品安全條件。在跌落分析中，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，首先計(jì)算出塑料托盤跌落到地面時(shí)的瞬時(shí)速度為6m/s，載荷步數(shù)設(shè)為20，托盤與地面接觸采用無(wú)摩擦，采用默認(rèn)網(wǎng)格大小，最后統(tǒng)計(jì)單元數(shù)為114256，合格率為85%，滿足分析要求。

3　結(jié)果分析

求解結(jié)束后，對(duì)塑料局部進(jìn)行定位分解，其中包括對(duì)應(yīng)力位移和變形位移兩部分的分析。位移分布數(shù)據(jù)如圖3所示，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后，最終數(shù)據(jù)信息以word的形式存儲(chǔ)于終端設(shè)備內(nèi)。圖4顯示的是應(yīng)力位移的數(shù)據(jù)云圖，從圖形分布情況來(lái)看，位移偏量比托盤的應(yīng)力偏量多0.23mm,位移變形很小。從圖4的應(yīng)力分析云圖上可以看出,托盤的上面接觸部位為應(yīng)力破壞點(diǎn),最大應(yīng)力為26.64MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于HDPE的屈服極限250MPa，所以，在此工作載荷下，塑料托盤是安全的。對(duì)其跌落分析，圖5和圖6分別為位移和應(yīng)力云圖，通過(guò)該云圖可清楚的看到，最大位移為13.739mm，最大應(yīng)力為82MPa，并顯示了最大值的位置，說(shuō)明在該處容易出現(xiàn)裂紋和變形，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)引起注意。

4　結(jié)論

采用ANSYSWorkbench對(duì)塑料托盤模型進(jìn)行了有限元分析,其數(shù)據(jù)顯示結(jié)果可表明在塑料托盤在承受一定壓力后，局部的壓力值比HDPE的應(yīng)力值小，該最小應(yīng)力值在屈服應(yīng)力范圍內(nèi)。則可說(shuō)明托盤是安全的。但對(duì)其跌落分析中發(fā)現(xiàn)，局部會(huì)存在較大變形，此處容易產(chǎn)生裂紋，這與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，說(shuō)明該塑料托盤結(jié)構(gòu)存在改進(jìn)之處。通過(guò)以上分析，采用ANSYS有限元分析，可大大減少產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與更新改進(jìn)起指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn):

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[3]何為宏,盧立新.木質(zhì)托盤鋪板的受力分析與設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2009,29(02):70-72.

[4]尹恩強(qiáng),李士才,張新昌.新型紙漿模塑通用平托盤的結(jié)構(gòu)與性能研究[J].包裝工程,2009,30(08):10-15.

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[7]惠燁,李翔,王長(zhǎng)浩等.基于Sol idWorks的包裝容器結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2007,28(12):119-120.

作者簡(jiǎn)介：彭賢峰（1983—），男，山東聊城人，研究生，助教，研究方向：CAD/CAM/CAE。