摘 要：通过对塑料托盘进行参数化设计和利用三维造型软件UG建立模型，对其在工作过程中受力和跌落进行了有限元分析。最后通过实验数据分析，有限元分析结果得到实验数据基本一致，说明，在塑料托盘的结构设计过程中，采用有限元分析的方法可以为产品设计提供了一条新的思路。
关键词：塑料托盘;有限元分析;三维模型
塑料托盘（pallet）是为了便于货物装卸、运输、保管和配送等而使用的负荷面和叉车插口构成的装卸用垫板。塑料托盘引进后广泛应用于物流运输行业并成为物流行业重要的器具，多年来，塑料托盘一直采用经验设计方法，其结构的合理性有待进一步研究，在运输管理及储存过程中，存在多种载荷形式，其中以静载荷为主，如果设计不合理，托盘的安全性得不到保障。因此通过对塑料托盘进行CAE分析来模拟各种实验测试，可以发现产品设计和制造过程中潜在的问题，这对缩短产品设计周期，减少研发费用有重要的意义[1]。
目前国内外对托盘的结构分析并应用在设计上研究主要有：桑军等人基于Cosmos Works 进行了整装整卸托盘纵梁优化设计[2]， 何为宏等人基于PRO-Mechanic分析了木质托盘结构联结系数[3]， 尹恩强等人基于ANSYS 有限元分析软件分析并确定了托盘的结构要素[4]， 马卫静等人基于ANSYS 对托盘板材在静态承重与叉车叉起时的力学性能和承载性能进行了分析[5] ，国外J.H，LIM等人利用有限元法对托盘的静态变形进行了比较研究[6]。
1 模型建立
塑料托盘材料为HDPE ， 弹性模量为11GPa， 泊松比为0. 42， 抗弯强度为387MPa，屈服强度为250MPa， 质量密度为950 kg /m3。利用UG基于特征的参数化造型功能， 可建立该托盘的三维模型，将模型导入到ANSYS workbench进行几何清理，最后网格划分。网格化后塑料托盘有限元模型见图3，划分完毕后共有节点1061698，单元数为596815，skewness=0.95的单元数为695，满足了分析需要。
2 有限元仿真分析
塑料托盘检验测试是模拟产品在实际运输过程中可能经受各种振动、受压、跌落、冲击、温湿度等环境因素对产品造成的破坏而进行的。塑料托盘产品的质量和安全性能直接关系到消费者的利益，塑料托盘的测试标准具体可以参考国际安全运输协会ISTA运输包装测试标准。
塑料托盘检验项目如下：
（1）静载实验实验负荷：P=4000kg持续时间：24H试验后，挠曲率≤5%试验后无影响使用的裂纹和变形。
（2）跌落试验跌落高度：500mm，试验后，无影响使用的裂纹和变形。
根据实际流通过程中的工作压力与实验平均压力来确定模拟实际工作载荷[7]。对托盘结构进行力学模型简化时，可将上面的受力简化为均布载荷，由于要求静力载荷为4×104N，均布载荷为q=W/S，其中S为上面的承载面积。根据托盘的设计参数，可以计算出q=0.4MPa。托盘在使用过程中主要是各构件强度超过材料实际屈服强度，造成产品破坏， 所以在此以HDPE的屈服强度作为校核产品安全条件。在跌落分析中，采用瞬态动力学分析，首先计算出塑料托盘跌落到地面时的瞬时速度为6m/s，载荷步数设为20，托盘与地面接触采用无摩擦，采用默认网格大小，最后统计单元数为114256，合格率为85%，满足分析要求。
3 结果分析
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求解结束后，对塑料局部进行定位分解，其中包括对应力位移和变形位移两部分的分析。位移分布数据如图3所示，数据转化后，最终数据信息以word的形式存储于终端设备内。图4显示的是应力位移的数据云图，从图形分布情况来看，位移偏量比托盘的应力偏量多0.23mm， 位移变形很小。从图4的应力分析云图上可以看出， 托盘的上面接触部位为应力破坏点， 最大应力为26.64MPa，远远小于HDPE的屈服极限250MPa，所以，在此工作载荷下，塑料托盘是安全的。对其跌落分析，图5和图6分别为位移和应力云图，通过该云图可清楚的看到，最大位移为13.739mm，最大应力为82MPa，并显示了最大值的位置，说明在该处容易出现裂纹和变形，在产品的设计过程中，应引起注意。
4 结论
采用ANSYS Workbench对塑料托盘模型进行了有限元分析， 其数据显示结果可表明在塑料托盘在承受一定压力后，局部的压力值比HDPE的应力值小，该最小应力值在屈服应力范围内。则可说明托盘是安全的。但对其跌落分析中发现，局部会存在较大变形，此处容易产生裂纹，这与实际实验数据相吻合，说明该塑料托盘结构存在改进之处。通过以上分析，采用ANSYS有限元分析，可大大减少产品的实验时间和费用，对产品的设计与更新改进起指导作用。
参考文献：
[1]邓巧云，朱燕玲，沈辰栋等.新型纸积层板托盘的工艺技术和应用研究[J].包装工程，2010，31（11）：39-41.
[2]桑军，李利顺，孟祥德等.基于Cosmos Works的整装整卸托盘纵梁的优化设计[J].起重运输机械，2008（06）：39-42.
[3]何为宏，卢立新.木质托盘铺板的受力分析与设计[J].包装工程，2009，29（02）：70-72.
[4]尹恩强，李士才，张新昌.新型纸浆模塑通用平托盘的结构与性能研究[J].包装工程，2009，30（08）：10-15.
[5]马卫静，陈满儒，李强.利乐包塑木托盘的有限元分析[J].包装工程，2011，32（01）：76-79.
[6]LIM J H ， RAT NAM M M， KH ALIL H P S Abdul. An Experimental and Finite Element Analysis of the Static Deformation of Natural Fiber reinforced Composite Beam[J] . Journal o f Polymer Testing ，2003，22（02） ：169-177.
[7]惠烨，李翔，王长浩等.基于SolidWorks的包装容器结构参数化设计[J].包装工程，2007，28（12）：119-120.
作者简介：彭贤峰（1983—），男，山东聊城人，研究生，助教，研究方向：CAD/CAM/CAE。