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摘要：传统塑料托盘结构设计一般采用经验设计方法，其合理性有待研究。通过Solidworks软件对PC+ABS+GF20%材料的塑料托盘进行三维建模，并用Midas NFX有限元软件对其进行静力分析，分别计算托盘在满载平放、提举和堆叠三种工况下的应力和位移。结果显示：在满载堆叠3层的工况下，模拟分析结果和实际测量数据均已超过标准值，为此在塑料托盘结构方面采用增加衬垫的方式加以改进，最终满足了使用要求。结论：采用有限元分析的方法对塑料托盘进行结构分析和改进具有可行性，减少了设计风险，提高了产品品质，为塑料托盘结构分析和优化设计提供了一定的借鉴。

关键词：塑料托盘；有限元分析；结构改进

引言

托盘作为一种具有存放、装载、搬运等功能的装备单元，具有单元化、集装化、高层码垛、充分利用空间等优点，广泛应用于生产、运输、仓储和流通等领域，是现代化物流仓储中必不可少的物流设备。随着公路、铁路、水路、航空及多式联运的不断发展，托盘运输的应用越来越广泛，已成为继集装箱运输之后在多式联运中较普遍采用的方式之一。目前，托盘制作材料呈现出多元化趋势，在日常使用过程中，以塑料材质居多。在工作过程中，因超载导致的损坏最为常见。因此，需要在设计塑料托盘时，有必要对其载重能力进行分析与研究。

在以往的传统设计中，仅凭工程师的个人经验对塑料托盘进行承载能力校核，而面对结构复杂的新产品时则无能为力。近年来随着计算机技术的快速发展，对复杂结构塑料托盘的承载能力采用有限元技术进行分析和校核，成为一种替代传统经验设计新方法。本文以某塑料托盘为例，采用MIDAS NFX有限元分析软件，对平放、叉举、堆叠三种不同工况下的塑料托盘的承载能力进行分析，根据分析结果提出改进方案，并对改进后的分析进行对比，为塑料托盘的设计与分析提供参考。

1.国内外研究现状

多年来我国托盘产业存在设计理论方法不完善、基础技术参数较缺乏、产品质量检验不规范等诸多问题，导致托盘在使用过程中出现破损缺陷。而托盘结构方面一直采用经验设计方法，往往要经过“方案设计、样品试制 、样品试验、工况试验、方案多次修订、样品多次试制”等多次设计循环才能完成其结构的合理性有待研究。托盘在储存和运输过程中，存在多种载荷形式，其中静态载荷是使托盘产生破坏的主要原因，如果设计不当托盘的安全性得不到保障。研究托盘CAD／CAE仿真设计及优化可以缩短设计周期增加产品的可靠性降低材料的消耗或成本；并模拟各种试验方案在产品制造或工程施工前发现潜在的问题减少试验时间和经费。

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。国内许多学者专家也在积极探索CAE在托盘设计上的应用：桑军等人基于CosmosWorks进行了整装整卸托盘纵梁优化设计；何为宏等人基于PRO／Mechanica分析了木质托盘结构联结系数；尹恩强等基于ANSYS有限元分析软件分析并确定了托盘的结构要素；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；康柳、刘婧等基于SolidWorks的卡扣快装箱有限元分析研究了卡扣快装箱应力、位移结构变化 情况，强调了卡扣箱的底板、托盘一体化会降低卡扣箱底板产生的应力，提高了箱体抗压性能；李杨、李光基于SolidWorks的托盘结构有限元分析及优化设计验证了对托盘仿真结果的正确性，利用 仿真软件对托盘进行优化设计，使优化后的性能趋于合理，大大降低了托盘设计及试验成本，并为产品方案修订提供了方向性和数据性的指导。虽然都把CAE理论引用到托盘设计中取得了一定效果但很少应用其对托盘进行优化设计以改变现有设计中的不足。

本文运用SolidWorks软件建立塑料托盘三维模型，导入Midas NFX有限元分析软件进行结构静力学分析，虽然软件分析和实际情况还有一定的差异，但能缩短实验实践，对结果不符合设计要求，则可以重新设计和计算。

2.塑料托盘载重工况分析

2.1塑料平托盘承载类型及特点

通常塑料托盘作业分为堆叠、货架、叉举等三种情况，承载可划分为静载跟动载两种，静载是指托盘满载货物时放在货架上或满载4层堆码时，最下面的托盘所能承受的最大载荷；动载则是指托盘在满载时，叉举工况下所能承受的最大载荷。不同的作业情况对塑料平托盘的结构有不同的要求，因此在确定塑料托盘结构之前，得首先确定其作业环境，塑料平托盘具体作业情况如下所示。

（1）叉举

塑料托盘满载时需要使用叉车将其由产品去搬运至仓库区，叉举过程中叉刺插入边板孔并举起托盘，因叉刺和边板孔接触面积较小，局部应力较大，如果超过材料抗弯强度则容易发生局部断裂。

（2）货架

塑料托盘满载放置在仓库区货架上，底部支撑脚和底板等结构随着时间的推移，在承受载荷时将会发生蠕变，导致产品发生跌落，如果底板结构强度不够还会发生断裂失效情况（如图２－２所示）。

（3）堆叠

这种情况塑料托盘以外框悬臂结构部分为主要承载对象，要求其得具备一定的平面抗压能力和长时间不得出现永久变形。

2.2工况分析

根据实际应用情景，塑料托盘满载有限元分析需要满足以下2个技术要求：

（1）满载叉举和货架运输时，局部位移小于5mm，应力不得超过材料的抗弯强度，不得出现永久变形；

（2）满载堆叠4层时，外框变形小于2mm，不得出现永久变形。

3.模型建立及有限元分析

3.1托盘基本参数及模型建立

根据应用要求，使用Solidworks三维制图软件设计的某塑料托盘三维数模设计，如图1所示，长为1200 mm，宽为1450 mm，高为170 mm，由外框、内衬组成，各部分通过螺栓连接构成统一整体，电池组呈片状，插排在内衬中，每组重量2kg，共32组。

塑料托盘的材料为PC+ABS+GF20%，材料的具体物理参数见表1。

3.2网格划分

利用有限元软件Midas NFX，导入托盘模型，对其进行静力分析。托盘结构采用自动网 格划分方式，共有单元数165971，节点数326757，见图2。

3.3施加边界条件

静态载荷是导致托盘产生破坏的主要原因，托盘在使用过程中主要是各构件受力超过材料屈服强度而造成产品损坏。根据《GB 10486—89铁路货运钢 制平托盘》[ 9] 要求，钢托盘载质量为1000 kg，在存放时应能满载堆叠4层，确定模拟其存放堆码工作载荷压力为39 200 N。以铝合金、松木屈服强度作为有限元分析边界条件，对托盘下表面进行固定约束，在托盘上表面施加 均布载荷

3.4求解和数据分析

对三种工况进行有限元求解分析，得到位移和应力云图，如图所示，危险部位见表2。

塑料托盘在叉举工况下，其位移为2.16mm，出现在内衬中间部位；最大应力为10.4MPa，出现在托盘底部边缘。在货架工况下，塑料托盘能得到顶铺板和纵梁的应力分布见图3[ 10] 。 由图3可知，塑料托盘在满载堆叠4层工况下，最大位移和最大应力均出现在托盘上部悬臂中间部分，位移为5.2mm，超过该工况最大位移不得超过5mm的技术要求，最大应力为19MPa，远小于材料的抗弯强度。因此，根据装载和运输要求，需要对该工况下的塑料托盘进行结构改进，达到使用要求。

部位为300.65 MPa，大于材料屈服强度为280 MPa， 将导致托盘的损坏。纵梁板与垫块结合部位应力达到 263.56 MPa，接近材料屈服强度，导致该托盘结构安 全系数过低，需对其顶铺板和纵梁结构进行改进，减 小应力集中现象，提高托盘安全系数。下铺板所受应 力、变形和安全系数分别为6.73 MPa， 0.01 mm和 10.40，远小于木材屈服强度，符合联运托盘挠度要 求[ 11] ，对其结构予以保留。

3.5结构优化前后对比

结合工程实际，基于托盘在堆叠4层工况下局部位移过大，超过了技术要求，因此特设计4个衬垫，作为托盘堆叠承载结构，经实际验证，满足使用要求，改进后有限元分析结果云图如图所示，优化前后对比结果见表2。

4.结束语

对三种不同工况下的塑料托盘进行了有限元分析及结构优化，可得到如下结论。

1）采用SolidWorks三维软件建模与Midas NFX有限元分析相结合，实现了CAD/CAE一体化设计，节省了实验成本，缩短了研发设计周期。

2）对塑料托盘在叉举、货架和堆叠4层三种工况下有限元分析，结果显示在前两种工况下，塑料托盘均能满足使用要求；在第三种工况下，最大应力为19MPa，虽然没有超过到材料的抗拉强度和弯曲强度，但局部最大位移超过了技术要求，这影响到了托盘的装载和运输，因此要对满载堆叠4层工况下的塑料托盘进行结构优化和分析。

3）对优化后的塑料托盘进行了有限元分析和实际验证，结果显示，位移和应力相比于优化前下降了62%和16%，符合优化设计要求。

参考文献：

[1]李杨，李光.基于SolidWorks的托盘结构有限元分析及优化设计[J].包装工程，2011，32（19）：1-4.

[2]丁毅，苏杰，陈立民.基于ANSYS Workbench的轻 质托盘承载性能分析[J].包装与食品机械，2012，30（2）： 67-69.

[3]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（6）：39-42.

[4]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（2）：70-72.

[5]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（8）：10-15.

[6]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（1）： 76-79.

[7]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（2）：169-177.

[8]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.

【课题名称】浙江省2022年度高校访问工程师“校企合作”项目研究课题（课题编号：FG2022381）；

台州市2023年科技计划项目（工业类）研究课题（课题编号：23gyb25）。

【作者简介】彭贤峰（1983-），男，山东聊城人，研究生，讲师，研究方向：CAD/CAE。