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摘要：为满足物流运输过程中对托盘轻量化与承载性能并重的需求，本文以四向插入式强化木材托盘为研究对象，基于SolidWorks建立三维结构模型，并在Workbench平台上开展多工况有限元分析。在满足堆码、叉举及角跌落等工况要求的前提下，对托盘结构进行轻量化优化设计。通过减少底板数量、优化垫块结构形式及板材截面形状，实现托盘质量由38.36kg降低至34.19kg，减重约10.9%。在6t堆码工况下，托盘最大位移为6.15mm；在纵向与横向叉举工况下，最大位移分别降低至0.47mm和2.9mm，均未出现材料屈服或结构失效。进一步通过角跌落等效工况分析及螺钉连接疲劳评估，验证了轻量化托盘在设定载荷条件下的结构安全性与使用可靠性。研究结果表明，所提出的结构优化方案在保证承载性能的同时实现了有效减重，可为木质托盘轻量化设计提供参考。
关键词：木托盘；轻量化；强化木材；有限元分析
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作者：杜艺飞1 吴竺亭2 何金牛1 魏来1 郑妮华1
1北京建筑材料检验研究院股份有限公司
2澄迈县林业局
一
引言
托盘是物流行业重要的装载和中转材料。常用托盘主要分为木质托盘、塑料托盘、金属托盘、纸质托盘等类型[1]。木托盘用量大、周转频率高，结构设计较为笨重，难以降低托盘高度和零件尺寸，生产和物流运输成本高[2]。塑料托盘与金属托盘同样存在部分使用方面的问题，例如废弃塑料回收利用周期长，环境影响性较大，强度及抗冲击性能易受温度变化的影响，而金属托盘的自重大，成本高，普及率较低。纸质托盘主要以蜂窝纸板或纸浆模塑等材料加工制成，通过拼接、裁剪、胶合等工艺制作而成，其含有铺板、垫块等结构，缺点是材质较软，承载量小，易受潮，使用寿命短，且受损后难修复。近年来，强化木材因其较高的比强度、良好的可加工性及环境友好性[3]，逐渐成为托盘结构设计的重要材料选择。
美国ElisCaliber集团公司与蒂内克公司将蜂窝纸板经过防水处理之后制作出全纸质托盘，并且其力学性能达到建筑材料需求[4]。Saeed等人采用热压成型制作了新型的木塑托盘并研究了力学性能[5]。徐淳等人制作出以小径木为原材料的托盘，并对托盘设计和力学性能加以优化[6]。张家鹤、张润等人，通过对粉煤灰和PVC复合材料的结构进行有限元方法研究，设计了一种轻量化的托盘[7]。邢碧滢等人通过对竹木复合托盘的整体力学性能进行研究，通过堆码实验和角跌落试验，优化托盘对角刚度以及抗冲击性，最后利用有限元分析方法加以验证[8]。
综上所述，现有研究大多集中于托盘承载能力或单一工况下的结构优化，但缺乏对轻量化设计过程中多工况综合性能评估、连接件可靠性及跌落工况响应的研究。针对上述问题，本文以强化木材托盘为研究对象，结合堆码、叉举及角跌落等典型工况，开展结构轻量化设计与有限元分析研究，旨在保证结构安全性的前提下实现托盘减重，为工程应用提供系统的设计依据。
二
托盘轻量化设计
1.初始木托盘设计
托盘原料选用强化木材（松木），选用尺寸：1345mm×1115mm。设计结构由12块顶铺板、3块桥板、9个垫块以及3个底板组成。松木密度为0.559g/cm3，总质量为38.36kg（如图1）。木材横纹静曲强度961MPa，横纹弹性模量35510MPa，顺纹静曲强度1300MPa，顺纹弹性模量55090MPa。经测试，初始木托盘静载荷达到6t、承重可以达到2t、动载荷达到4.5t。
图1 初始木托盘模型
市场上流通的木托盘主要有平托盘、柱式托盘、箱式托盘以及轮式托盘，使用较多的是平托盘，根据叉车插入方式，可分为单向插入型、双向插入型、四向插入型。四向插入型对结构刚度和底部通道的约束更强，因此轻量化难度更高。
本研究以四向插入型托盘作为研究对象，并对其进行轻量化设计。通过静载荷、动载荷、五金连接件的疲劳安全系数和寿命、2m高度角跌落试验等研究，将轻量化设计的木托盘与初始托盘进行对比分析。
2.轻量化木托盘模型构建
本文使用SolidWorks软件根据托盘尺寸进行建模，将原有顶铺板减小为常规的一半高度，约为10mm。为了分散受力，将其横截面形状从长方体改为上顶50mm、下底100mm的等腰梯形，减少顶铺板的质量和块数，从12块减少到7块。将垫块边长与桥板减少到80mm，垫块改成边长为80mm的正方体。将底铺板除去，同时将垫块中心直径50mm掏除一个深为60mm的圆柱体，既可以便于连接，同时也可减少质量，圆柱的镂空造型相较于其他体型受力更加均匀。木托盘设计最终质量为34.19kg，符合初始目标设计。
图2 轻量化木托盘模型
五金连接件选用碳钢6.8级沉头十字自攻螺钉，抗拉强度为600MPa，屈服强度为480MPa。在顶铺板与桥板交叠处选用M6型号，长度25mm的沉头螺钉，在顶铺板、桥板与垫块三者交叠处（如图2），选用型号M6长度50mm的沉头螺钉，并使用斜对角两钉钉装方式，防止部件之间连接处旋转或打滑。
三
轻量化木托盘的多工况仿真评估
基于本文第二部分设计模型，本节内容旨在研究轻量化木托盘在多工况情况下仿真模型中的力学分析，目的是进一步验证轻量化托盘是否能满足实际使用需求。本部分内容主要选择堆码工况、插举工况、角跌落工况、动力学分析等仿真评估方式展开研究。
1.有限元分析模型建立
传统的木托盘物理力学分析多依靠模型简化，计算步骤复杂冗长，精确度却不高，且仅适合于特殊状况下理论分析。有限元分析方法可以通过应力分析得出木托盘在载荷下的断裂与疲劳情况以及等效应力、形变等数据，深入分析木托盘性能[9]。本研究采用Workbench软件，可实现多场及多场耦合分析、可优化多物理场、并达到前后处理、求解和多场分析统一数据库等功能。
（1）建立分析模块。首先对轻量化木托盘进行分析，建立分析模块，主要包括托盘的静态结构、工程数据、几何结构、模型、设置、解决办法及结果等内容。
（2）导入木托盘模型。将SolidWorks中建立的三维托盘模型文件导入workbench中（如图3）。
图3 木托盘模型导入
（3）输入木托盘材料属性。如图4所示，输入托盘材料属性，选用横纹超级木材性能，输入弹性模量为35514.2MPa，泊松比μ为0.054。如图5所示，输入五金连接件的碳钢材料杨氏模量210GPa，泊松比μ为0.33；输入松木弹性模量100GPa，泊松比μ为0.49。
图4 定义超级木材属性
图5 定义碳钢属性
（4）网格划分。根据木托盘尺寸，选择了精度相对较高的10mm四面体网格，对木托盘模型进行网格划分。通过对托盘连接部位等关键区域进行局部数据加密，确保应力集中区域计算精度满足工程分析要求。经数据库多次试算验证，该网格尺寸下计算结果具有良好的数据稳定性，能够满足结构性能评估需求。
2. 堆码工况的力学分析
对轻量化设计托盘和初始托盘样品分别进行作用力施加，将木托盘顶板货物压力化简为均匀分布的载荷，在顶铺板均匀施加6t载荷，并在木托盘底部添加固定约束，对其进行应力与整体形变分析。
图6 6t均匀载荷下木托盘应力分布图
图7 6t 均匀载荷下木托盘位移分布图
如图6～7所示，通过轻量化木托盘尺寸设计要求[27]及整体受力分析研究得出，木托盘在6t的均匀分布载荷下，未出现破坏，图中应力点分散均匀，表明此时托盘完全承受额定载荷，且应力分布合理，未出现由于应力过强导致破坏等现象。当轻量化木托盘在6t均匀载荷下时，位移分布最大极限值约为6.15mm，且并未出现破坏现象，可满足日常堆码使用需求。由此可见，托盘的受力分布优于轻量化设计之前的结构，其力学性能的承载性更能避免木托盘的整体损坏，从而达到轻量化设计和托盘受力分析的双重优化。
3.叉举工况的力学分析
根据GB/T5183-2015标准规定，叉举试验选择单个货叉宽度为200mm托盘，在木托盘面板或桥板底部左右分别施加一个宽度为200mm、长度贯穿全木托盘的固定约束。在托盘表面均匀施加2t的载荷，模拟叉车搬运场景，进行纵向进叉试验，并对其应力与整体形变进行分析。
图8 叉举状态下2t均匀载荷下木托盘应力分布图
图9 叉举状态下2t均匀载荷木托盘位移分布图
结果如图8、图9所示，在纵向叉举状态下承受2t的均匀载荷，木托盘应力分布较为合理，并未出现应力变化、木托盘表面破坏及连接件损坏等现象，且根据木托盘位移分布图也研究得出，最大极限位移值降低至0.47mm，因此得出木托盘在纵向叉举时承受力效果很好，可以满足日常纵向叉举、搬运等使用需求。
图10 轻量化木托盘局部图
图11 初始木托盘局部图
将轻量化木托盘与初始木托盘对比，如图10、图11所示。根据形变分布结果，研究得出轻量化木托盘的受力情况优于初始木托盘，这是因为轻量化托盘设计优化，使托盘具有高强度与高密度的性能，因此在受力时形变部分载荷更加集中，抗形变能力更加优异，而初始木托盘因为没有优化设计模型，则更容易造成整体损坏。
图12 叉举状态下2t均匀载荷下木托盘应力分布图
图13 叉举状态下2t均匀载荷木托盘位移分布图
横向进叉试验托盘载荷位移分布如图12、图13所示。在横向叉举状态下承受2t的均匀载荷时，托盘应力分布均匀，且并未发生应力局部过大、木托盘表面破坏及连接件损坏等现象，且木托盘在此均匀载荷下最大位移极限值降低至2.9mm,并未对托盘造成严重损坏，表明托盘在横向叉举时受力效果良好，可以满足日常横向叉举、搬运等使用需求。
图14 初始木托盘局部图
图15 轻量化设计木托盘局部图
轻量化木托盘与初始木托盘形变对比结果如图14、图15所示。纵向叉举试验结果表明，初始木托盘其形变分布较为分散，但轻量化设计托盘应力主要集中在横杠中间区域，该区域为受力时较为脆弱的部位，也是最易破损的部位。优化后托盘在该区域的应力较为集中，因此受外力时，较为脆弱的中间区域应力分布集中，抗形变能力增加。
4.角跌落工况的力学分析
本小结研究主要针对托盘使用当中的关键连接件进行优化设计及跌落工况力学分析。由于大多数托盘跌落损毁的部位集中在四角连接件，因此连接件的优化设计和工况模拟是另一个较为关键的环节。
图16 简化后的木托盘模型
木托盘角跌落试验主要分析对象为其直角连接构件，因此为了使数据更加简洁直观，可将木托盘的连接模型简化为直角框架模型，设计模型如图18所示。
对简化设计后的木托盘模型进行角跌落力学模拟试验。首先设定木托盘跌落高度为2m，简化后得自重为4.98kg，根据自由落体公式计算得出落地时的冲击力约为24.43N。模拟角跌落试验开始时，在木托盘连接的垫块处选择一点作为施力点，沿木托盘对角线方向施加向下跌落的力值24.43N，并对其应力及整体形变进行力学分析。
图17 角跌落状态下木托盘位移分布图
图18 角跌落状态下木托盘应力分布图
角跌落状态下木托盘位移及应力分布如图17、图18所示，当木托盘从2m高度以角为接触点落地时，应力分布较为均匀，试验中并未出现连接件因剪切力所造成的损坏，表明该设计可以很好地承受角跌落时因木托盘自身重量所带来的冲击力，且木托盘在角跌落的情况下最大位移极限为16mm，且并未产生木托盘严重损坏现象，因此得出该木托盘的连接件承受能力较强，可以满足日常作业时跌落情形下对结构稳定性的要求。
5.动力学分析
木托盘的承载能力包含静载力受力分析与动载力分析，实际使用中托盘动载的疲劳受损分析是决定力值变化和产品使用寿命的重要因素。本小节研究利用Workbench软件当中Fatigue Tool选项进行动力学分析。由于托盘整体结构当中连接件对动力学特征影响较为明显，因此本小节重点对木托盘当中的连接件优先开展动力学分析研究。
考虑到木托盘在日常作业中主要受交变载荷影响，因此本次试验设定在木托盘表面施加4.5t的均匀载荷，并分别取长度25mm和50mm规格沉头螺钉进行疲劳分析。
图19 交变载荷的幅值变化历程
图20 沉头螺钉的寿命
图21 沉头螺钉的安全系数
螺钉安全系数和寿命的研究结果如图19～图21所示。根据以上数据研究得出，在4.5t的动载下，25mm及50mm规格的沉头螺钉皆能在平均载荷下循环106次，且两种连接件的疲劳安全系数均为15，完全可以满足疲劳测试，表明该种结构设计较为合理。
四
结论
本研究采用木材作为原材料，利用有限元分析方法，设计了一种轻量化托盘，通过对托盘结构进行轻量化优化设计，在满足多工况承载要求的前提下，实现托盘质量由38.36kg降低至34.19kg，减重约10.9%。有限元分析结果表明，在6t堆码工况及叉举工况下，轻量化托盘的最大位移和等效应力均处于合理范围，未发生材料屈服或结构失效。角跌落等效工况分析结果显示，托盘在冲击载荷作用下整体结构保持完整，关键连接部位具备一定安全裕度。在所设定疲劳分析假设条件下，螺钉连接部位疲劳寿命满足使用要求。本研究提出的托盘轻量化设计方案在保证结构安全性的同时实现了有效减重，对托盘结构优化设计和轻量化研究具有十分重要的研究意义和商业价值。
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———— 物流技术与应用融媒 ————
编辑、排版：王茜
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