基于ANSYS workbench的塑料托盤有限元分析

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

基于ANSYS workbench的塑料托盤有限元分析

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

摘要：通過對塑料托盤進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和利用三維造型軟件UG建立模型，對其在工作過程中受力和跌落進(jìn)行了有限元分析。最后通過實驗數(shù)據(jù)分析，有限元分析結(jié)果得到實驗數(shù)據(jù)基本一致，說明，在塑料托盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，采用有限元分析的方法可以為產(chǎn)品設(shè)計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)用于物流運輸行業(yè)并成為物流行業(yè)重要的器具，多年來，塑料托盤一直采用經(jīng)驗設(shè)計方法，其結(jié)構(gòu)的合理性有待進(jìn)一步研究，在運輸管理及儲存過程中，存在多種載荷形式，其中以靜載荷為主，如果設(shè)計不合理，托盤的安全性得不到保障。因此通過對塑料托盤進(jìn)行CAE分析來模擬各種實驗測試，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中潛在的問題，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，減少研發(fā)費用有重要的意義[1]。

目前國內(nèi)外對托盤的結(jié)構(gòu)分析并應(yīng)用在設(shè)計上研究主要有：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[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對托盤板材在靜態(tài)承重與叉車叉起時的力學(xué)性能和承載性能進(jìn)行了分析[5]，國外J.H,LIM等人利用有限元法對托盤的靜態(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,抗彎強度為387MPa,屈服強度為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

塑料托盤檢驗測試是模擬產(chǎn)品在實際運輸過程中可能經(jīng)受各種振動、受壓、跌落、沖擊、溫濕度等環(huán)境因素對產(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)系到消費者的利益，塑料托盤的測試標(biāo)準(zhǔn)具體可以參考國際安全運輸協(xié)會ISTA運輸包裝測試標(biāo)準(zhǔn)。

塑料托盤檢驗項目如下：

（1）靜載實驗實驗負(fù)荷：P=4000kg持續(xù)時間：24H試驗后，撓曲率≤5%試驗后無影響使用的裂紋和變形。

（2）跌落試驗跌落高度：500mm，試驗后，無影響使用的裂紋和變形。

根據(jù)實際流通過程中的工作壓力與實驗平均壓力來確定模擬實際工作載荷[7]。對托盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模型簡化時，可將上面的受力簡化為均布載荷，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)計參數(shù)，可以計算出q=0.4MPa。托盤在使用過程中主要是各構(gòu)件強度超過材料實際屈服強度,造成產(chǎn)品破壞,所以在此以HDPE的屈服強度作為校核產(chǎn)品安全條件。在跌落分析中，采用瞬態(tài)動力學(xué)分析，首先計算出塑料托盤跌落到地面時的瞬時速度為6m/s，載荷步數(shù)設(shè)為20，托盤與地面接觸采用無摩擦，采用默認(rèn)網(wǎng)格大小，最后統(tǒng)計單元數(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，對塑料局部進(jìn)行定位分解，其中包括對應(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,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。對其跌落分析，圖5和圖6分別為位移和應(yīng)力云圖，通過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，說明在該處容易出現(xiàn)裂紋和變形，在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，應(yīng)引起注意。

4　結(jié)論

采用ANSYSWorkbench對塑料托盤模型進(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)。則可說明托盤是安全的。但對其跌落分析中發(fā)現(xiàn)，局部會存在較大變形，此處容易產(chǎn)生裂紋，這與實際實驗數(shù)據(jù)相吻合，說明該塑料托盤結(jié)構(gòu)存在改進(jìn)之處。通過以上分析，采用ANSYS有限元分析，可大大減少產(chǎn)品的實驗時間和費用，對產(chǎn)品的設(shè)計與更新改進(jìn)起指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn):

[1]鄧巧云,朱燕玲,沈辰棟等.新型紙積層板托盤的工藝技術(shù)和應(yīng)用研究[J].包裝工程,2010,31(11):39-41.

[2]桑軍,李利順,孟祥德等.基于CosmosWorks的整裝整卸托盤縱梁的優(yōu)化設(shè)計[J].起重運輸機械,2008(06):39-42.

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

[4]尹恩強,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.

[5]馬衛(wèi)靜，陳滿儒,李強.利樂包塑木托盤的有限元分析[J].包裝工程,2011,32(01):76-79.

[6]LIMJH,RATNAMMM,KHALILHPSAbdul.An Exper imentalandFini teElementAnalysisoftheStat ic Deformat ionofNaturalFiberreinforcedCompositeBeam[J]. JournalofPolymerTesting,2003,22(02):169-177.

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

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