周振興，劉豪進(jìn)，趙炎康

(中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

電子信息技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了智慧物流的誕生，其中RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)，又稱無線射頻識(shí)別技術(shù)的成熟，進(jìn)一步促進(jìn)智慧物流的發(fā)展，使得如今物流的效率得到有效提升。托盤是一種用來集裝、堆放、裝卸和運(yùn)輸貨物的單元集裝物，作為貨物和產(chǎn)品的水平存放載荷，在物流的每個(gè)環(huán)節(jié)都有著廣泛的使用[1]。目前市面上使用量最大的為木制托盤，但在我國乃至全世界的森林資源都日漸短缺的背景下，人們已逐漸探索其替代品[2]。模壓托盤由于原料的綠色性(主要為刨花木屑、植物秸稈)，易于回收，沒有整木托盤的病蟲害以及相關(guān)力學(xué)性能較好等，關(guān)于模壓托盤的研究逐漸成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此本文通過探究可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展模壓托盤的功能，提高模壓托盤的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，幫助廣泛使用的托盤作業(yè)可以順利使用RFID技術(shù)，完善智慧物流的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，提高物流效率。

1 模壓托盤原始結(jié)構(gòu)分析

1.1 模壓托盤的模型建立

目前市面上的模壓托盤結(jié)構(gòu)種類很多，本文以常見的象棋型模壓托盤結(jié)構(gòu)為例(以下簡(jiǎn)稱模壓托盤)，運(yùn)用SolidWorks軟件建立三維模型，其有關(guān)尺寸如表1所示[3]。

表1 模壓托盤有關(guān)尺寸

三維模型如圖1所示。

圖1 模壓托盤三維模型

1.2 模壓托盤的靜應(yīng)力分析

不同材質(zhì)的模壓托盤擁有不同的力學(xué)性能，為探究所有模壓托盤共同特點(diǎn)，保證后續(xù)研究的可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤結(jié)構(gòu)具有通用性，故靜應(yīng)力分析中只賦予材質(zhì)抗彎彈性模量2331 MPa，泊松比0.3，表面均勻承重1 t，以此探究模壓托盤在包裝件壓力作用下變形情況，找出形變小的部位，嘗試在此設(shè)計(jì)內(nèi)嵌RFID模塊結(jié)構(gòu)。圖2為通過SolidWorks的Simulation插件，采取默認(rèn)設(shè)置網(wǎng)格化后得到的模壓托盤靜應(yīng)力分析情況。

根據(jù)圖2易知：模壓托盤在圖示左右兩側(cè)支撐腳處形變最小，在以上參數(shù)設(shè)置下的最小應(yīng)變僅有1.797×10-5，最小應(yīng)力為4.104×10-3MPa，最小合位移為1×10-30mm。但是在支撐腳處不利設(shè)計(jì)內(nèi)嵌RFID結(jié)構(gòu)，RFID模塊應(yīng)盡量安放在托盤面板上，以便安裝與拆卸。經(jīng)過進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，圖3所示位置處編號(hào)為750網(wǎng)絡(luò)單元的應(yīng)變值為7.543×10-4，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和位移易在較小值范圍內(nèi)，且處于托盤面板上，四周具有較大可設(shè)計(jì)空間，初步擬定在此處進(jìn)行設(shè)計(jì)內(nèi)嵌RFID模塊結(jié)構(gòu)。

圖2 模壓托盤靜應(yīng)力分析情況

圖3 模壓托盤750網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)變情況

2 可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)際生產(chǎn)需求，需要保證該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有可拆卸性，方便RFID模塊的安裝與拆卸。進(jìn)一步聯(lián)系模壓托盤的生產(chǎn)情況，考慮在傳統(tǒng)模壓托盤生產(chǎn)工藝中，直接模壓出類似于加強(qiáng)筋性質(zhì)的芯片安置盒，如圖4所示為設(shè)計(jì)的可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤結(jié)構(gòu)，圖5為該結(jié)構(gòu)的局部示意圖，主要尺寸與原模壓托盤一致。

當(dāng)需要安置RFID模塊時(shí)，通過泡沫包裹，膠布黏貼等方式初步將RFID模塊固定與芯片安置盒后，蓋上芯片安置盒面板，從而形成一個(gè)密閉空間用以保護(hù)RFID模塊，如圖6所示為RFID芯片安置盒使用細(xì)節(jié)圖，本次設(shè)計(jì)采用的彈簧卡銷連接，亦可根據(jù)需求采用螺栓連接。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用托盤面板下凹辦法，使得該類托盤的生產(chǎn)只需細(xì)微修改模壓模具即可投，同時(shí)包證了使用該結(jié)構(gòu)的托盤能夠方便安裝與拆卸RFID模塊，亦能單獨(dú)作為普通模壓托盤進(jìn)行使用。

1-支撐腳 2-加強(qiáng)筋 3-RFID芯片安置盒

圖5 RFID芯片安置盒局部示意圖

圖6 RFID芯片安置盒使用細(xì)節(jié)圖

3 可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤結(jié)構(gòu)分析

3.1 可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤模型建立

為便于計(jì)算機(jī)建模與仿真，初步將第3節(jié)中設(shè)計(jì)的RFID芯片安裝盒主要尺寸設(shè)置為如表2所示，其余尺寸與原模壓托盤尺寸一致，見表1。由此可建立三維模型如圖7所示。

表2 RFID芯片安裝盒主要尺寸

圖7 可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤

3.2 可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤靜應(yīng)力分析

為保證計(jì)算機(jī)求解速度和結(jié)果的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格劃分采用實(shí)體網(wǎng)格，雅可比點(diǎn)為4點(diǎn)，單元大小約為36.21 mm，公差約為1.81 mm，節(jié)總數(shù)為22015，單元總數(shù)為10887個(gè)，網(wǎng)格劃分完畢后，固定支撐腳，按承載1t進(jìn)行靜應(yīng)力分析，所得結(jié)果如圖8所示。

圖8 可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤靜應(yīng)力分析情況

對(duì)比原模壓托盤相同條件下受力情況，可得表3對(duì)比數(shù)據(jù)。

表3 設(shè)計(jì)前后有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤與原模壓托盤靜應(yīng)力下的力學(xué)性能基本一致，說明該結(jié)構(gòu)不會(huì)影響模壓托盤靜應(yīng)力下的性能指標(biāo)。運(yùn)用軟件的探測(cè)功能，容易得到用于安裝RFID模塊的芯片盒內(nèi)部底面受力具體情況，如表4所示。

表4 RFID芯片安裝盒內(nèi)部底面受力情況

假設(shè)RFID模塊直接剛性連接在芯片安裝盒內(nèi)部底面上，在1t靜載壓力下所受最大應(yīng)力僅為0.2961 MPa，考慮到RFID模塊多采用塑殼封裝，其屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于該值，且實(shí)際使用中，多采用膠粘等柔性連接，所以利用該結(jié)構(gòu)來內(nèi)嵌RFID模塊是比較安全的。

4 結(jié)語

綜上所述，本文研究的可內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)單可靠，有利與傳統(tǒng)模壓托盤生產(chǎn)廠商進(jìn)行跟進(jìn)制造，能夠根據(jù)使用者要求可從普通模壓托盤到內(nèi)嵌RFID模塊模壓托盤轉(zhuǎn)換，極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有關(guān)力學(xué)性能方面，在靜載情況下，力學(xué)性能幾乎與原模壓托盤性能一致，且能夠保證內(nèi)部RFID模塊不受到破壞。