標準木箱有限元分析優化后節材代木產生的經濟效益

摘 要：隨著我國經濟的高速發展，機械行業的興起，機械設備制造的地位穩固的上升，鋼鐵產品的需求增加，機械設備制造尤為重要，中國一重是一個以機械設備生產為主的單位，從2003年至今，年產值都在成倍增長，這說明訂購設備的用戶數量增多，國內和國外有著大量的市場，中國一重以生產冷熱軋機等大型設備為主，訂貨量巨大，固成套產品制造出后發往用戶需要包裝后才能發運，有許多關重件部分需要箱裝發運，以保證其運輸中的安全，防銹，防潮等外部影響因素。

關鍵詞：標準木箱；有限元分析；優化；節材代木；經濟效益

1 一重公司現有包裝箱形式是傳統的包裝箱形式，底拍是用滑木與連接木用螺栓把合，箱壁用框架結構，此種結構堅固耐用，但存在木材用量問題，往往木材用量比實際需要的木材用量多。為了節省能源，節約木材用量，包裝箱制作的木材用量就應該進行量化及優化，已達到節約資源的目的。節能也是世界經濟發展現狀的趨勢，勢在必行。所以在木制包裝箱制作節材代木量化的技術上進行研究及應用的工作迫在眉睫。

2 研究開發木制包裝箱節材代木量化及優化技術，實現木材用量合理，達到包裝效果最佳的集成化、標準化。

主要研究多的技術指標：

產品裝箱重量：30噸以下

外廓尺寸：6000mm×3500mm×2500mm

包裝用墊壓木，滑木規格的合理選用為最終目標。

3 木箱制作的工藝技術研究

木箱制作的工藝技術研究主要針對設備的包裝使用，研究的制作工藝，關鍵技術是對木材本身的各向異性的分析，記錄，找出其中的共同點，進行合理有效地分析，技術難點是木材各項異性的分析和包裝箱整體受力分析。

基于以上要求解決如下幾個方面的課題：

（1）分箱后整體的受力情況；（2）木材的各向異性的參數變量；（3）負載后各部木材之間的受力情況；（4）負載后的箱整體變形；（5）有限元分析優化后，制箱使用的軟件開發。

4 木制箱關鍵受力部位的研究

木制包裝箱裝載產品后，合箱，起吊時受力情況，外部受到起吊力，箱內產品對墊木有個剪切力和彎矩，這些力一起作用在木制包裝箱上，形成一個復雜的合力結構。通過用有限元分析軟件的分析，得出的結果是受力最大的墊木，其次是連接木再次是滑木。根據這種第次關系，可進行模擬試驗，加載荷后的最大變形等數據的測試和研究，通過給定安全系數來控制制箱用木材的規格，達到最佳使用效果。

圖1

5 有限元分析時的難點

木制包裝箱的有限元分析有許多難點，首先是木材的各異性，橫向和縱向木材的密度不同，在加載后產生的受力情況和形變量不同，還有木材的含水率，有無蟲孔，木節等因素；因為有蟲孔，木節之類，受力情況又有不同，最終的負載情況下，各條件下都應滿足給定的安全系數，選取木材使用規格，這就要求反復試驗，各種情況都應做到，最終在個實驗結果中找出共同點，歸納出變形和受力的規律來。

其次是整體合箱后，箱壁和箱蓋是用鐵釘鏈接，負載起吊后，鋼絲繩對箱壁的擠壓力，鐵釘和木材之間的握裹力，保證其安全和穩定。

再次是承壓的受力情況，疊碼時受力情況，支撐木的規格選用，相壁的框架受力，箱壁框架使用鐵釘固定在膠合板上，最終的變形和受力情況還是要通過計算機有限元分析得出最終結論。

上述問題如果都能解決，木制包裝箱的分析基本可以結束，再進行實驗對比，驗證得出結果，最后應用于生產中。木制包裝箱通過有限元分析，找出其中的共性和規律，通過給出的重量，尺寸，起吊夾角和起吊距離等限界條件來優化參數，最終得出墊木和滑木規格的選取。既能保證安全系數，結構穩固，又能節約木材用量，最終達到優化的目的。

a.有限元模型圖 b.邊界條件及載荷圖

c.等效應力圖 d.箱體變形圖

通過上述有限元分析，反復模擬，找出個數據之間的關聯，編寫一個界面簡單、便于操作的小程序，根據設計師給出的重量，尺寸，起吊距離等實際數據，通過軟件的計算可得出滿足設計時安全系數下，滑木，墊木的規格選取，同時還可根據實際情況，設計師給出數量和規格，驗算能否滿足包裝要求，軟件在windows環境下能完成人機對話，各種參數能界面輸入，程序用VB編寫，界面簡潔，便于操作。如下圖

經過優化后的包裝箱用軟件選取更合理，更節約木材用量，木材規格的選取比以往未作優化設計時小，節省木材并降低成本投入30%，解決了包裝材料的成本投入高，設計周期長問題，滿足了節能增效為目的需要，促進了包裝標準的改革，保證了在產品發運時的安全性同時節約了大量的資金投入再生產，為公司投入少，產出多，可持續發展打下了基礎。一重公司在包裝箱木材成本上每年節省資金投入650萬元，為一重公司創造了巨大的經濟效益。