運輸環(huán)境下產(chǎn)品包裝件隨機振動仿真研究*

□ 杜 恒

(南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

1 引言

近年來，在物流業(yè)和道路運輸業(yè)的大力刺激下，運輸包裝業(yè)也得到了迅速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，我國每年因包裝不善造成的經(jīng)濟損失在百億元以上，其中80%出現(xiàn)在運輸包裝上[1]。在實際的流通環(huán)境中，路面引起的隨機振動無疑是造成貨物運輸包裝破損的主要因素之一。

目前，國內(nèi)外對運輸包裝隨機振動的虛擬試驗研究主要是利用matlab對其進行數(shù)值仿真，但在研究過程中，大多都忽視了包裝件在運輸過程中的振動響應(yīng)[2-5]。鑒于此，本文一方面簡化了matlab復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模和運算過程，另一方面考慮了包裝件的運輸過程，使用adams/car和matlab/simulink建立了車-路-包裝件模型，并通過兩款軟件的聯(lián)合仿真，成功地模擬了包裝件在實際運輸過程中的隨機振動響應(yīng)。

2 運輸包裝系統(tǒng)建模

2.1 車-路-包裝件模型

由于運輸包裝系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)[5]，因此，本文在建模之前對模型做了如下簡化和假設(shè)：①除了輪胎、阻尼元件、彈性元件及橡膠元件以外，汽車的其余部分均為剛體，在仿真過程中不考慮形變特性[6]；②汽車處于滿載狀態(tài)，且裝載的包裝件均被視為剛體；③產(chǎn)品包裝件被捆綁繩牢固地固定于車上，因此將其與后車廂視為一個整體考慮。

基于以上假設(shè)，論文使用adams/car建立車-路-包裝件模型。其中，車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)均來自某國產(chǎn)型號的貨車，具體的模型如圖1所示。此外，本文參考文獻[7]，建立了一段路面不平度具有隨機特性的瀝青路面。

圖1 整車模型

2.2 包裝件模型

目前，國際上比較認可的產(chǎn)品包裝件模型是單自由度模型，但對于實際產(chǎn)品的緩沖包裝系統(tǒng)來說(尤其是機電產(chǎn)品)，它總有一個環(huán)節(jié)是最脆弱的。若將其脆弱部件確定為關(guān)鍵部件，實際的包裝件可簡化為二自由度有阻尼線性系統(tǒng)[8-9]。

論文以某型號的DELL筆記本電腦為例，采用matlab/simulink對其包裝件進行建模仿真，該模型的參數(shù)均通過試驗和查詢資料獲得[10]。具體的包裝件物理模型、數(shù)值仿真模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 包裝件物理模型

圖3 包裝件仿真模型

3 隨機振動仿真試驗

貨車在道路上運行時最常經(jīng)歷的兩種狀態(tài)是直線加速運動和勻速直線運動，論文就以這兩種情況為例開展虛擬試驗。試驗方法為：通過adams/car對車-路-包裝件模型進行仿真，得到貨車車廂底面的振動加速度，再將該結(jié)果作為基于matlab/simulink建立的包裝件數(shù)值模型的輸入y(t)(如圖2)計算得到包裝件關(guān)鍵部位的輸出響應(yīng)X2(t)(如圖2)。具體如下：

①直行加速試驗是模擬貨車在規(guī)定的時間內(nèi)先勻速后加速的行駛工況，該試驗為閉環(huán)試驗，初始速度為40km·h-1，仿真時間為7s，其中勻速行駛時間2s，加速度為8m·s-2。試驗共分為3組，每組試驗的道路等級互不相同，依次取為A級、C級和H級，此外，通過改變路面摩擦系數(shù)依次建立了晴天和雨天路面模型，模擬仿真運輸包裝系統(tǒng)在不同天氣狀況下的運動狀態(tài)[11-12]。

②勻速直線運動試驗是模擬貨車以不同速度勻速行駛時的狀態(tài)，論文以C級路為例，分別選取40km·h-1、50km·h-1、60km·h-1和70km·h-1四種車速并重復(fù)試驗四次，每次試驗仿真時間均為5s。

4 振動試驗結(jié)果分析

4.1 直行加速試驗結(jié)果分析

依托所建模型，通過改變道路等級和路面摩擦系數(shù)，仿真得到如圖4和表1所示的結(jié)果。分析試驗結(jié)果可知：①每個試驗所得出的包裝件關(guān)鍵部位響應(yīng)最大值均遠小于產(chǎn)品脆值[13]，因此該包裝件在運輸過程中不會發(fā)生破損；②天氣狀況對包裝件的振動響應(yīng)有著一定的影響，具體表現(xiàn)為：包裝件在雨天時的振動加速度最大值和均方根值均要高于晴天。

由此可知，運輸包裝件的隨機振動在雨天表現(xiàn)得更加明顯，其原因是：當(dāng)貨車在濕滑路面上行駛時，摩擦力減小，穩(wěn)定性變差，從而導(dǎo)致汽車在垂直方向上的振動加速度變大。因此，當(dāng)貨車在濕滑路面上加速運動時，需注意行駛狀態(tài)以減小對產(chǎn)品包裝件的損害。

圖4 不同天氣與不同路面條件下的包裝件關(guān)鍵部位振動加速度

4.2 勻速直線行駛試驗結(jié)果分析

通過改變車速得到了包裝件關(guān)鍵部位在不同速度下的振動加速度響應(yīng)，見表2和圖5。分析試驗結(jié)果可知：①每組試驗的最大加速度值均小于產(chǎn)品脆值，因此產(chǎn)品不會因為振動沖擊而破損；②車速對包裝件關(guān)鍵部位的振動響應(yīng)有著顯著影響。一般說來，車速越大，包裝件關(guān)鍵部位的振動響應(yīng)也越大。因此，載貨車輛在運輸過程中，需要控制好車速范圍，以減小對產(chǎn)品的危害。

圖5 車速與包裝件關(guān)鍵部位振動響應(yīng)的關(guān)系

表2 不同車速下的包裝件關(guān)鍵部位振動響應(yīng)

5 結(jié)論

論文先后利用了adams/car和matlab/simulink建立了車-路-包裝件模型與包裝件數(shù)學(xué)模型，通過聯(lián)合仿真得出了運輸包裝系統(tǒng)在直線行駛工況下的隨機振動加速度響應(yīng)。通過對直行加速和勻速直線行駛兩種仿真試驗結(jié)果的分析可知：路面摩擦系數(shù)和行駛速度是影響貨物振動的兩個因素。一般說來，路面變濕滑，車速變大，包裝件關(guān)鍵部位的振動會增強。

由于論文只對運輸包裝系統(tǒng)直線行駛工況進行了仿真試驗，而忽略了系統(tǒng)的其他運行狀態(tài)，如彎道行駛，變換車道等。因此，論文結(jié)論并不足以全面評價商品在流通中的振動情況，我們將在此基礎(chǔ)上進一步探討運輸包裝在其他復(fù)雜行駛工況下的隨機振動特征。