基于有限元分析的托盤輕量化設計及多工況仿真評估

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摘要：為滿足物流運輸過程中對托盤輕量化與承載性能并重的需求，本文以四向插入式強化木材托盤為研究對象，基于SolidWorks建立三維結構模型，并在Workbench平臺上開展多工況有限元分析。在滿足堆碼、叉舉及角跌落等工況要求的前提下，對托盤結構進行輕量化優化設計。通過減少底板數量、優化墊塊結構形式及板材截面形狀，實現托盤質量由38.36kg降低至34.19kg，減重約10.9%。在6t堆碼工況下，托盤最大位移為6.15mm；在縱向與橫向叉舉工況下，最大位移分別降低至0.47mm和2.9mm，均未出現材料屈服或結構失效。進一步通過角跌落等效工況分析及螺釘連接疲勞評估，驗證了輕量化托盤在設定載荷條件下的結構安全性與使用可靠性。研究結果表明，所提出的結構優化方案在保證承載性能的同時實現了有效減重，可為木質托盤輕量化設計提供參考。

關鍵詞：木托盤；輕量化；強化木材；有限元分析

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作者：杜藝飛1 吳竺亭2 何金牛1 魏來1 鄭妮華1

1北京建筑材料檢驗研究院股份有限公司

2澄邁縣林業局

一

引言

托盤是物流行業重要的裝載和中轉材料。常用托盤主要分為木質托盤、塑料托盤、金屬托盤、紙質托盤等類型[1]。木托盤用量大、周轉頻率高，結構設計較為笨重，難以降低托盤高度和零件尺寸，生產和物流運輸成本高[2]。塑料托盤與金屬托盤同樣存在部分使用方面的問題，例如廢棄塑料回收利用周期長，環境影響性較大，強度及抗沖擊性能易受溫度變化的影響，而金屬托盤的自重大，成本高，普及率較低。紙質托盤主要以蜂窩紙板或紙漿模塑等材料加工制成，通過拼接、裁剪、膠合等工藝制作而成，其含有鋪板、墊塊等結構，缺點是材質較軟，承載量小，易受潮，使用壽命短，且受損后難修復。近年來，強化木材因其較高的比強度、良好的可加工性及環境友好性[3]，逐漸成為托盤結構設計的重要材料選擇。

美國ElisCaliber集團公司與蒂內克公司將蜂窩紙板經過防水處理之后制作出全紙質托盤，并且其力學性能達到建筑材料需求[4]。Saeed等人采用熱壓成型制作了新型的木塑托盤并研究了力學性能[5]。徐淳等人制作出以小徑木為原材料的托盤，并對托盤設計和力學性能加以優化[6]。張家鶴、張潤等人，通過對粉煤灰和PVC復合材料的結構進行有限元方法研究，設計了一種輕量化的托盤[7]。邢碧瀅等人通過對竹木復合托盤的整體力學性能進行研究，通過堆碼實驗和角跌落試驗，優化托盤對角剛度以及抗沖擊性，最后利用有限元分析方法加以驗證[8]。

綜上所述，現有研究大多集中于托盤承載能力或單一工況下的結構優化，但缺乏對輕量化設計過程中多工況綜合性能評估、連接件可靠性及跌落工況響應的研究。針對上述問題，本文以強化木材托盤為研究對象，結合堆碼、叉舉及角跌落等典型工況，開展結構輕量化設計與有限元分析研究，旨在保證結構安全性的前提下實現托盤減重，為工程應用提供系統的設計依據。

二

托盤輕量化設計

1.初始木托盤設計

托盤原料選用強化木材（松木），選用尺寸：1345mm×1115mm。設計結構由12塊頂鋪板、3塊橋板、9個墊塊以及3個底板組成。松木密度為0.559g/cm3，總質量為38.36kg（如圖1）。木材橫紋靜曲強度961MPa，橫紋彈性模量35510MPa，順紋靜曲強度1300MPa，順紋彈性模量55090MPa。經測試，初始木托盤靜載荷達到6t、承重可以達到2t、動載荷達到4.5t。

圖1 初始木托盤模型

市場上流通的木托盤主要有平托盤、柱式托盤、箱式托盤以及輪式托盤，使用較多的是平托盤，根據叉車插入方式，可分為單向插入型、雙向插入型、四向插入型。四向插入型對結構剛度和底部通道的約束更強，因此輕量化難度更高。

本研究以四向插入型托盤作為研究對象，并對其進行輕量化設計。通過靜載荷、動載荷、五金連接件的疲勞安全系數和壽命、2m高度角跌落試驗等研究，將輕量化設計的木托盤與初始托盤進行對比分析。

2.輕量化木托盤模型構建

本文使用SolidWorks軟件根據托盤尺寸進行建模，將原有頂鋪板減小為常規的一半高度，約為10mm。為了分散受力，將其橫截面形狀從長方體改為上頂50mm、下底100mm的等腰梯形，減少頂鋪板的質量和塊數，從12塊減少到7塊。將墊塊邊長與橋板減少到80mm，墊塊改成邊長為80mm的正方體。將底鋪板除去，同時將墊塊中心直徑50mm掏除一個深為60mm的圓柱體，既可以便于連接，同時也可減少質量，圓柱的鏤空造型相較于其他體型受力更加均勻。木托盤設計最終質量為34.19kg，符合初始目標設計。

圖2 輕量化木托盤模型

五金連接件選用碳鋼6.8級沉頭十字自攻螺釘，抗拉強度為600MPa，屈服強度為480MPa。在頂鋪板與橋板交疊處選用M6型號，長度25mm的沉頭螺釘，在頂鋪板、橋板與墊塊三者交疊處（如圖2），選用型號M6長度50mm的沉頭螺釘，并使用斜對角兩釘釘裝方式，防止部件之間連接處旋轉或打滑。

三

輕量化木托盤的多工況仿真評估

基于本文第二部分設計模型，本節內容旨在研究輕量化木托盤在多工況情況下仿真模型中的力學分析，目的是進一步驗證輕量化托盤是否能滿足實際使用需求。本部分內容主要選擇堆碼工況、插舉工況、角跌落工況、動力學分析等仿真評估方式展開研究。

1.有限元分析模型建立

傳統的木托盤物理力學分析多依靠模型簡化，計算步驟復雜冗長，精確度卻不高，且僅適合于特殊狀況下理論分析。有限元分析方法可以通過應力分析得出木托盤在載荷下的斷裂與疲勞情況以及等效應力、形變等數據，深入分析木托盤性能[9]。本研究采用Workbench軟件，可實現多場及多場耦合分析、可優化多物理場、并達到前后處理、求解和多場分析統一數據庫等功能。

（1）建立分析模塊。首先對輕量化木托盤進行分析，建立分析模塊，主要包括托盤的靜態結構、工程數據、幾何結構、模型、設置、解決辦法及結果等內容。

（2）導入木托盤模型。將SolidWorks中建立的三維托盤模型文件導入workbench中（如圖3）。

圖3 木托盤模型導入

（3）輸入木托盤材料屬性。如圖4所示，輸入托盤材料屬性，選用橫紋超級木材性能，輸入彈性模量為35514.2MPa，泊松比μ為0.054。如圖5所示，輸入五金連接件的碳鋼材料楊氏模量210GPa，泊松比μ為0.33；輸入松木彈性模量100GPa，泊松比μ為0.49。

圖4 定義超級木材屬性

圖5 定義碳鋼屬性

（4）網格劃分。根據木托盤尺寸，選擇了精度相對較高的10mm四面體網格，對木托盤模型進行網格劃分。通過對托盤連接部位等關鍵區域進行局部數據加密，確保應力集中區域計算精度滿足工程分析要求。經數據庫多次試算驗證，該網格尺寸下計算結果具有良好的數據穩定性，能夠滿足結構性能評估需求。

2. 堆碼工況的力學分析

對輕量化設計托盤和初始托盤樣品分別進行作用力施加，將木托盤頂板貨物壓力化簡為均勻分布的載荷，在頂鋪板均勻施加6t載荷，并在木托盤底部添加固定約束，對其進行應力與整體形變分析。

圖6 6t均勻載荷下木托盤應力分布圖

圖7 6t 均勻載荷下木托盤位移分布圖

如圖6～7所示，通過輕量化木托盤尺寸設計要求[27]及整體受力分析研究得出，木托盤在6t的均勻分布載荷下，未出現破壞，圖中應力點分散均勻，表明此時托盤完全承受額定載荷，且應力分布合理，未出現由于應力過強導致破壞等現象。當輕量化木托盤在6t均勻載荷下時，位移分布最大極限值約為6.15mm，且并未出現破壞現象，可滿足日常堆碼使用需求。由此可見，托盤的受力分布優于輕量化設計之前的結構，其力學性能的承載性更能避免木托盤的整體損壞，從而達到輕量化設計和托盤受力分析的雙重優化。

3.叉舉工況的力學分析

根據GB/T5183-2015標準規定，叉舉試驗選擇單個貨叉寬度為200mm托盤，在木托盤面板或橋板底部左右分別施加一個寬度為200mm、長度貫穿全木托盤的固定約束。在托盤表面均勻施加2t的載荷，模擬叉車搬運場景，進行縱向進叉試驗，并對其應力與整體形變進行分析。

圖8 叉舉狀態下2t均勻載荷下木托盤應力分布圖

圖9 叉舉狀態下2t均勻載荷木托盤位移分布圖

結果如圖8、圖9所示，在縱向叉舉狀態下承受2t的均勻載荷，木托盤應力分布較為合理，并未出現應力變化、木托盤表面破壞及連接件損壞等現象，且根據木托盤位移分布圖也研究得出，最大極限位移值降低至0.47mm，因此得出木托盤在縱向叉舉時承受力效果很好，可以滿足日常縱向叉舉、搬運等使用需求。

圖10 輕量化木托盤局部圖

圖11 初始木托盤局部圖

將輕量化木托盤與初始木托盤對比，如圖10、圖11所示。根據形變分布結果，研究得出輕量化木托盤的受力情況優于初始木托盤，這是因為輕量化托盤設計優化，使托盤具有高強度與高密度的性能，因此在受力時形變部分載荷更加集中，抗形變能力更加優異，而初始木托盤因為沒有優化設計模型，則更容易造成整體損壞。

圖12 叉舉狀態下2t均勻載荷下木托盤應力分布圖

圖13 叉舉狀態下2t均勻載荷木托盤位移分布圖

橫向進叉試驗托盤載荷位移分布如圖12、圖13所示。在橫向叉舉狀態下承受2t的均勻載荷時，托盤應力分布均勻，且并未發生應力局部過大、木托盤表面破壞及連接件損壞等現象，且木托盤在此均勻載荷下最大位移極限值降低至2.9mm,并未對托盤造成嚴重損壞，表明托盤在橫向叉舉時受力效果良好，可以滿足日常橫向叉舉、搬運等使用需求。

圖14 初始木托盤局部圖

圖15 輕量化設計木托盤局部圖

輕量化木托盤與初始木托盤形變對比結果如圖14、圖15所示。縱向叉舉試驗結果表明，初始木托盤其形變分布較為分散，但輕量化設計托盤應力主要集中在橫杠中間區域，該區域為受力時較為脆弱的部位，也是最易破損的部位。優化后托盤在該區域的應力較為集中，因此受外力時，較為脆弱的中間區域應力分布集中，抗形變能力增加。

4.角跌落工況的力學分析

本小結研究主要針對托盤使用當中的關鍵連接件進行優化設計及跌落工況力學分析。由于大多數托盤跌落損毀的部位集中在四角連接件，因此連接件的優化設計和工況模擬是另一個較為關鍵的環節。

圖16 簡化后的木托盤模型

木托盤角跌落試驗主要分析對象為其直角連接構件，因此為了使數據更加簡潔直觀，可將木托盤的連接模型簡化為直角框架模型，設計模型如圖18所示。

對簡化設計后的木托盤模型進行角跌落力學模擬試驗。首先設定木托盤跌落高度為2m，簡化后得自重為4.98kg，根據自由落體公式計算得出落地時的沖擊力約為24.43N。模擬角跌落試驗開始時，在木托盤連接的墊塊處選擇一點作為施力點，沿木托盤對角線方向施加向下跌落的力值24.43N，并對其應力及整體形變進行力學分析。

圖17 角跌落狀態下木托盤位移分布圖

圖18 角跌落狀態下木托盤應力分布圖

角跌落狀態下木托盤位移及應力分布如圖17、圖18所示，當木托盤從2m高度以角為接觸點落地時，應力分布較為均勻，試驗中并未出現連接件因剪切力所造成的損壞，表明該設計可以很好地承受角跌落時因木托盤自身重量所帶來的沖擊力，且木托盤在角跌落的情況下最大位移極限為16mm，且并未產生木托盤嚴重損壞現象，因此得出該木托盤的連接件承受能力較強，可以滿足日常作業時跌落情形下對結構穩定性的要求。

5.動力學分析

木托盤的承載能力包含靜載力受力分析與動載力分析，實際使用中托盤動載的疲勞受損分析是決定力值變化和產品使用壽命的重要因素。本小節研究利用Workbench軟件當中Fatigue Tool選項進行動力學分析。由于托盤整體結構當中連接件對動力學特征影響較為明顯，因此本小節重點對木托盤當中的連接件優先開展動力學分析研究。

考慮到木托盤在日常作業中主要受交變載荷影響，因此本次試驗設定在木托盤表面施加4.5t的均勻載荷，并分別取長度25mm和50mm規格沉頭螺釘進行疲勞分析。

圖19 交變載荷的幅值變化歷程

圖20 沉頭螺釘的壽命

圖21 沉頭螺釘的安全系數

螺釘安全系數和壽命的研究結果如圖19～圖21所示。根據以上數據研究得出，在4.5t的動載下，25mm及50mm規格的沉頭螺釘皆能在平均載荷下循環106次，且兩種連接件的疲勞安全系數均為15，完全可以滿足疲勞測試，表明該種結構設計較為合理。

四

結論

本研究采用木材作為原材料，利用有限元分析方法，設計了一種輕量化托盤，通過對托盤結構進行輕量化優化設計，在滿足多工況承載要求的前提下，實現托盤質量由38.36kg降低至34.19kg，減重約10.9%。有限元分析結果表明，在6t堆碼工況及叉舉工況下，輕量化托盤的最大位移和等效應力均處于合理范圍，未發生材料屈服或結構失效。角跌落等效工況分析結果顯示，托盤在沖擊載荷作用下整體結構保持完整，關鍵連接部位具備一定安全裕度。在所設定疲勞分析假設條件下，螺釘連接部位疲勞壽命滿足使用要求。本研究提出的托盤輕量化設計方案在保證結構安全性的同時實現了有效減重，對托盤結構優化設計和輕量化研究具有十分重要的研究意義和商業價值。

參考文獻:

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———— 物流技術與應用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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