木托盤RFID標簽安裝方式有限元分析及試驗研究

唐英，毛訊輝，孫汝

木托盤RFID標簽安裝方式有限元分析及試驗研究

唐英*，毛訊輝，孫汝

（北京科技大學 機械工程學院，北京 100083）

采用仿真和試驗手段并用的方法，研究RFID標簽在木質平托盤上的適用安裝方式及其對使用性能的影響。進行Ansys有限元仿真，分析木質平托盤承載和沖擊試驗中采用螺釘緊固及黏結劑粘貼方式安裝的RFID標簽所受應力。作為對比，在實驗室進行實物試驗，測量RFID標簽表面應力，并測試標簽讀寫性能。在托盤承載和沖擊試驗中，從RFID標簽各構件及標簽連接件的受力分析看，2種安裝方式下的RFID標簽均未出現脫落和物理性損壞。沖擊試驗后的RFID標簽能夠通過讀寫功能測試。有限元仿真與實物試驗的應力分析結果相互吻合，驗證了結果的正確性。RFID標簽采用螺釘緊固和黏結劑粘貼的安裝方式都能滿足使用要求，且螺釘連接的耐用性更好。研究結果為RFID標簽在木質平托盤的安裝方式選擇提供了理論依據。

RFID標簽；木托盤；安裝；應力分析；RFID讀寫試驗

我國正處于傳統物流轉型升級到智慧物流的關鍵時期[1]。托盤作為全面連接物流資源的基礎設備，托盤的智能化發展是推動智慧物流的重要支撐[2]。結合RFID應用的智能托盤實現托盤數據、物流數據和貨物數據關聯，是物流可視化的基礎[3]。

圍繞RFID智能托盤研發的研究很多。郭凱等[4]研究提高托盤RFID芯片讀寫成功率的方法。許明等[5]研究基于RFID標簽的托盤序列化和數字化管理。Zhong等[6]研究RFID托盤的倉儲管理。Specter等[7]研究采用有源RFID對托盤進行實時監控、跟蹤和追溯。迄今研究多集中在RFID托盤結構、識別率或管理應用等方面。未有涉及托盤上RFID標簽安裝問題。

市場上的智能托盤產品多采用粘貼、緊固和嵌入等方式安裝RFID標簽。塑料托盤常預留安裝孔嵌入標簽。木托盤多用緊固件緊固或黏結劑粘貼的方式安裝標簽。安裝方式選擇多憑經驗或互相借鑒，缺少理論依據。為此，本文并用仿真和實驗手段，通過RFID標簽受力分析和讀寫性能測試，研究標簽安裝方式的適用性。考慮到我國木托盤應用占比超過80%具有絕對優勢，本研究以木質平托盤的RFID標簽安裝為對象進行。

1 托盤使用工況分析

RFID標簽安裝性能受托盤使用工況影響。GB/T 4996—2014《聯運通用平托盤試驗方法》按托盤承載搬運作業，將托盤正常使用工況分為上架、叉車等搬運叉舉、墊塊或縱梁承壓、堆碼以及上雙軌輸送機上使用，見圖1。圖中為撓度，為施加載荷。考慮到托盤在使用過程中不可避免會受到各種沖擊，按照托盤受沖擊部位分為角跌落沖擊、側向水平沖擊和貨叉叉尖沖擊，見圖2。

1.加載板；2.加載杠；3.支座；4.加載頭；5.托盤。

1.負載；2.臺車；3.沖擊臺及擋板；4.撞擊條；5.沖擊擋塊；6.托盤。

2 有限元模型建立

2.1 托盤模型建立

依據GB/T 31148—2022《木質平托盤通用技術要求》的規定，木質平托盤各構件參數及數量如表1所示。托盤總體尺寸為1 200 mm×1 000 mm×156 mm。木質構件材料選擇花旗松?；ㄆ焖蒣8]的性能參數：密度為590 kg/m3，彈性模量E=16 400 MPa、E=900 MPa、E=1 300 MPa，泊松比σ=0.37、σ=0.63、σ=0.42，剪切彈性模量G=1 180 MPa、G=79 MPa、G=910 MPa。使用Solidworks軟件對托盤進行3D建模，見圖3。為簡化模型，刪除了托盤釘，各木質構件間接觸為綁定[9]。有限元仿真分析時采用默認尺寸對托盤進行自由網格劃分，共劃分38 062個節點，11 587個單元。

表1 托盤構件參數

Tab.1 Parameters of wooden pallet components

圖3 托盤3D模型

2.2 RFID標簽模型建立

智能托盤常用的超高頻RFID標簽中，PCB標簽因具有更好的抗氧化、耐高溫及抗沖擊性能并且生產成本較低而被使用廣泛。如圖4所示，PCB抗金屬標簽一般采用多層FR4材料通過熱層壓的方式一次壓鑄成型，天線通過鋁箔或銅箔蝕刻制成，芯片焊接在天線上并用環氧樹脂灌封保護[10]。

建立RFID標簽3D模型見圖5，尺寸為70 mm× 20 mm×4 mm。FR4封裝材料簡化為兩層結構，尺寸為70 mm×20 mm×2 mm，材料密度為1 800 kg/m3，彈性模量為11.1 GPa，泊松比為0.28，屈服強度為340 MPa[11]。天線簡化成空心方框，與其余各部分間接觸設置為綁定。天線外圈尺寸為40 mm×15 mm×1 mm，內圈尺寸為30 mm×5 mm×1 mm。材料選擇鋁箔，密度為2 700 kg/m3，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.33，屈服強度為40 MPa，極限強度為90 MPa。RFID芯片封裝材料環氧樹脂，尺寸為2.5 mm×2.5 mm×1 mm，材料密度為1 600 kg/m3，彈性模量為1 GPa，泊松比為0.38，屈服強度為70 MPa[12]。

圖4 RFID標簽截面結構剖視圖

圖5 RFID 標簽3D模型

標簽兩端預留螺釘安裝孔，根據需要用螺釘或黏結劑安裝。有限元分析模型中，采用六面體為主、四面體為輔的網格劃分方法。網格尺寸選取時，通過不斷加密網格，當加密后的模型最大應力和加密前相差小于5%，則選用此網格尺寸。最終確定RFID標簽封裝材料的網格尺寸為1 mm，天線的網格尺寸為0.25 mm，芯片的網格尺寸為0.25 mm。

2.3 RFID標簽安裝及模型建立

智能托盤產品上RFID標簽多安裝在托盤墊塊立面上，且安裝部位多有開槽結構保護RFID標簽。為減小模型復雜度并提高計算效率，圖3建模時進行簡化，去除墊塊表面RFID安裝槽。

采用螺釘安裝RFID標簽（見圖6a）時，螺釘簡化為光滑平頭圓柱。螺釘規格為M 3×10。螺釘的光滑平頭圓柱與托盤木質構件以及RFID標簽接觸設置為摩擦，通過設置摩擦因數產生的摩擦力模擬握釘力。其靜摩擦因數為0.53，動摩擦因數為0.2[8]；螺釘與標簽接觸為摩擦，其靜摩擦因數為0.6，動摩擦因數為0.4[13]；標簽與托盤木質構件接觸為摩擦，其靜摩擦因數為0.68，動摩擦因數為0.45[13]。螺釘材料為鋼材，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，極限強度標準值為375 MPa。通過不斷加密網格，確定螺釘網格尺寸為1 mm。

圖6 RFID標簽安裝建模

采用黏結劑安裝RFID標簽（見圖6b）時，黏結劑與標簽、黏結劑與托盤木質構件接觸均為綁定。黏結劑選擇熱熔膠，其材料與RFID芯片封裝材料相同。依據GB/T 4996—2014的規定，托盤試驗在環境溫度（23±2）℃范圍內進行。此時黏結劑黏結強度主要以剪切強度、拉伸強度和剝離強度為主。三者與被粘物厚度成正比，根據其關系曲線[14-15]與標簽厚度得到剪切、拉伸和剝離強度分別為24.25、37.63和72.93 MPa。本文取其中最小值剪切強度作為判斷黏結劑失效的黏結強度為24.25 MPa。仿真結果中黏結劑所受最大剪切應力與該黏結強度值進行比較，判斷標簽是否脫落。黏結劑整體尺寸為70 mm×20 mm×1 mm，通過不斷加密網格，確定網格尺寸為0.25 mm。

3 有限元仿真及試驗結果分析

有限元仿真分析時，通過用螺釘和黏結劑的受力超過各自極限強度和黏結強度來判斷標簽脫落，通過標簽封裝及天線的受力超過各自的屈服強度來判斷標簽物理性損壞。其中，RFID芯片環氧樹脂封裝對芯片具有保護、支撐和散熱作用，通過封裝受力超過其屈服強度判斷芯片的失效情況[11]。有限元仿真分析無法判斷標簽讀寫功能異常。在實物對比試驗中，直接觀察標簽與托盤的脫離和損壞現象，使用手持終端測試標簽讀寫功能。

3.1 RFID標簽受力的有限元仿真分析

仿真依據GB/T 4996—2014中規定各個工況的試驗方法和步驟進行。由于篇幅所限，選擇上架和角跌落2種工況說明有限元仿真分析的過程和結果。圖7是上架有限元仿真模型。通過在加載杠施加載荷模擬托盤載貨，施加載荷1 000 kg。支座模擬儲存托盤的貨架，接觸設置為固定約束。仿真可得到托盤、標簽以及連接件的等效應力云圖和剪切應力云圖。這里首先展示螺釘緊固和黏結劑粘貼的標簽各構件等效應力云圖結果，見圖8和圖9。圖10是角跌落有限元仿真模型。試驗時將托盤按對角線方向提升至離地面0.5 m。結果見圖11和圖12。

圖7 上架有限元仿真模型

圖8 上架時RFID標簽采用螺釘安裝時的等效應力云圖

圖9 上架時RFID標簽采用黏結劑粘貼時的等效應力云圖

從圖8～12可知，等效應力云圖能反映2種工況中連接件及RFID標簽各構件上產生的應力集中區域及最大應力值。在此基礎上，匯總圖1和圖2所有承載和沖擊工況下仿真試驗中RFID標簽各構件及連接件上的等效應力最大值，結果如表2所示。需要說明的是，在本研究的所有沖擊試驗中，RFID標簽均布置在最靠近托盤受沖擊點的墊塊外立面上。RFID標簽離沖擊點越近越容易受損。

由表2可以看出，所有試驗中作為連接件的螺釘所承受的最大等效應力未超過其極限強度，說明RFID標簽采用螺釘緊固安裝方式時在所有試驗中均未從托盤脫落。同時，所有試驗中的FR4封裝材料、芯片環氧樹脂封裝材料以及采用螺釘安裝方式時RFID標簽中的天線，所受等效應力均小于各自屈服強度，說明均未產生塑性變形。不過，在角跌落試驗中，采用黏結劑粘貼安裝的RFID標簽中的天線所受等效應力超過其屈服強度但并未超過其極限強度，說明天線發生了塑性變形但未斷裂。

對比表2的數值還可以看出，在沖擊工況中，天線和芯片在RFID標簽采用黏結劑粘貼安裝時所受等效應力均大于RFID標簽采用螺釘安裝方式時其所受等效應力；并且采用黏結劑安裝時還出現天線產生塑性變形的情況。說明采用黏結劑安裝時RFID標簽各構件更易產生物理性損壞。而且，沖擊試驗時標簽封裝和天線所受等效應力均遠大于承載工況所受等效應力，說明沖擊工況比承載工況更容易導致RFID標簽物理性損壞或脫落。

同時，通過有限元分析也能夠得到各工況試驗下RFID標簽黏結劑所受剪切應力云圖，其中托盤上架和角跌落試驗中的結果如圖13所示。匯總所有工況中黏結劑所受剪切應力最大值見表3。

從表3可看出，所有試驗中黏結劑所受最大剪切應力均未超過其黏結強度，說明RFID標簽均未從托盤脫落。結合表2匯總結果可知，2種安裝方式的RFID標簽均不會從托盤脫落，但沖擊工況中采用黏結劑安裝時RFID標簽各構件易產生物理性損壞，螺釘緊固安裝方式的耐用性更好。

圖11 角跌落時RFID標簽采用螺釘安裝時的等效應力云圖

圖12 角跌落時RFID標簽采用黏結劑粘貼時的等效應力云圖

3.2 RFID標簽受力的實物試驗

依據GB/T 4995—2014進行沖擊試驗的現場見圖14。其中，角跌落沖擊試驗使用吊具提升托盤進行試驗見圖14a，沖擊試驗均在沖擊試驗臺上進行見圖14b。試驗前將平面尺寸為25 mm×5 mm的應變片粘貼在RFID標簽外表面中心位置。試驗中使用動態應變儀采集RFID標簽表面應力。應變片為霍丁格必凱（蘇州）電子測量技術有限公司的單直片型號應變片，動態應變儀為協力科技開發有限公司的XL2102A型號產品。對比應變片測量和有限元仿真的標簽外表面應力結果可知，兩者相符時，說明3.1節中的有限元仿真分析結果是可信的。

表2 RFID標簽各部所受等效應力最大值的仿真結果

Tab.2 Simulation results of the maximum equivalent stress on each part of RFID tag MPa

圖13 上架和角跌落時黏結劑剪切應力云圖

表3 黏結劑所受剪切應力最大值的仿真結果

Tab.3 Simulation results of maximum shear stress on adhesive

圖14 試驗現場及關鍵設備

在上述各項沖擊試驗中通過直接觀察看到，RFID標簽均未從托盤脫離，標簽外觀也未發現物理損壞痕跡。這與3.1節中的有限元仿真分析的結果一致。為方便受力對比分析，將各項沖擊試驗中由動態應變儀測得和有限元仿真得到的RFID標簽FR4封裝外表面應力變化曲線合并繪制在一個圖中，如圖15所示?？梢钥闯?，試驗曲線和仿真曲線從變化規律上有較好的吻合度。從曲線獲得表面應力最大值并匯總于表4。計算求得仿真和試驗中的表面應力最大值的最大相對誤差為20.47%。仿真與試驗結果在誤差允許范圍內具有一定的可信度，相互驗證了結果的正確性。在圖14和表4中仿真結果最大值均小于試驗結果，可以考慮是因有限元模型簡化造成。例如，RFID標簽模型中層壓封裝材料FR4簡化為上下兩層結構且設置為綁定，托盤模型中刪除了托盤釘且各木質構件間接觸設置為綁定等，這樣的簡化會有利于RFID標簽以及托盤的強度和穩定性的增加，從而減小應力。

3.3 RFID標簽讀寫功能試驗

本研究采用CHAINWAY公司的C72型號手持終端產品測試標簽的讀寫功能。具體過程：在進行3.2節中的各項沖擊試驗之前，用手持終端向標簽中寫入編碼；待沖擊試驗結束后，再用手持終端讀取標簽的編碼數據。對比寫入和讀出的編碼數據的一致性，判斷標簽讀寫功能是否正常。

圖15 沖擊試驗標簽表面應力曲線對比

表4 RFID標簽表面應力最大值的仿真與試驗結果

Tab.4 Maximum surface stress of RFID tag obtained in simulation and test

圖16所示為各次托盤沖擊試驗完成后，手持終端從RFID標簽讀取的編碼數據：（8003）06900001000013230000000001。與預先寫入的編碼數據一致。所有標簽均通過了讀寫功能測試。從RFID標簽讀寫功能試驗也可以看出，雖然RFID標簽受力的仿真分析結果顯示，角跌落試驗中標簽天線發生了塑性變形，但因為天線沒有折斷，標簽仍能進行正常的讀寫工作。

圖16 RFID標簽讀寫性能測試

4 結語

本文研究RFID標簽在木質平托盤上的適用安裝方式及其對使用性能的影響，采用Ansys有限元仿真與實物試驗的手段，分析了木質平托盤在進行各承載試驗和沖擊試驗時托盤上安裝的RFID標簽各構件與標簽安裝用連接件的受力情況。力學分析的結果表明，螺釘緊固和黏結劑粘貼這2種安裝方式下的RFID標簽均不會出現脫落和物理性損壞。RFID標簽讀寫功能試驗表明，各項試驗后RFID標簽讀寫功能正常。由此可以得出結論，在木制平托盤上RFID標簽采用螺釘緊固和黏結劑粘貼的安裝方式都能滿足使用要求。考慮到托盤角跌落沖擊造成粘貼安裝的RFID標簽天線出現了塑性變形的現象，對比而言，螺釘連接的耐用性更好。本文的力學分析結果為RFID標簽在木質平托盤的安裝方式選擇提供了理論依據。

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Finite Element Analysis and Experimental Research on Installation Methods of RFID Tags on Wooden Pallets

TANG Ying*,MAO Xunhui, SUN Ru

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The work aims to study the installation method of RFID tags on wooden flat pallets and its influence on the performance of the tags by the means of simulation and experimental methods. By Ansys FEM simulation, stresses on the RFID tags which were installed on the wooden flat pallets by screw fastening and by adhesive bonding were analyzed while the pallets were subject to the loading and impacting tests. As a comparison, surface stresses on RFID tags and their Read/Write functions were measured and tested by experiments in lab. Seen from the stress analysis results about RFID tag's components and the fastening screw/ adhesive binder, the RFID tags under both installation methods had not fallen off or physically damaged. And the RFID tags kept their Read/Write functions. Stress analysis results obtained by FEM simulation and by experimental tests were consistent with each other. Thus, the correctness of these results was verified. It is illustrated that both screw fastening and adhesive bonding can meet the need of installing RFID tags on pallets. Screw fastening shows better durability. The result provides theoretical support for the selection of the installation method of RFID tags in wooden flat pallets.

RFID tag; wooden pallet; installation; stress analysis; RFID read-write test

TB482.2

A

1001-3563(2024)07-0166-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.021

2023-09-01

國家重點研發計劃（2020YFB1712902）

通信作者