托盤(pán)與單元包裝的智能設(shè)計(jì)

文/彭國(guó)勛

一、托盤(pán)與單元包裝的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

以托盤(pán)和單元包裝為基礎(chǔ)物流器具的現(xiàn)代物流系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為企業(yè)追求最受關(guān)注的“第三利潤(rùn)源泉”的主要抓手。據(jù)中國(guó)物流與采購(gòu)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的信息，2017年我國(guó)的社會(huì)物流總費(fèi)用為12.1萬(wàn)億元，占GDP的15.4%。如果通過(guò)物流包裝的智能設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，能把目前的物流費(fèi)用降低到美國(guó)8%的先進(jìn)水平，即可挖掘出5.81萬(wàn)億元的巨大金山。并且，推行托盤(pán)共用系統(tǒng)托盤(pán)的單元包裝系統(tǒng)，可以大大提高物流效率。

據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2017年中國(guó)托盤(pán)市場(chǎng)發(fā)展預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，截至2016年底，中國(guó)托盤(pán)市場(chǎng)保有量達(dá)到11.69億片，同比增長(zhǎng)8.2%，其中1.2m×1.0m標(biāo)準(zhǔn)托盤(pán)市場(chǎng)占比達(dá)到27%左右，較2015年底提高2個(gè)百分點(diǎn)，重點(diǎn)商貿(mào)物流領(lǐng)域1托盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)化率達(dá)到65%。2016年，標(biāo)準(zhǔn)托盤(pán)租賃池規(guī)模達(dá)到1700萬(wàn)片，較2015年底（1460萬(wàn)片）增長(zhǎng)16.4%?？梢?jiàn)，我國(guó)人均擁有托盤(pán)數(shù)還不到0.9片，美國(guó)人均擁有托盤(pán)數(shù)是7片左右，差距很大。如果我國(guó)人均擁有托盤(pán)數(shù)要達(dá)到5片，平托盤(pán)市場(chǎng)保有量則需要到達(dá)67億片，這是一個(gè)巨大的市場(chǎng)需求。據(jù)中國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)與配送協(xié)會(huì)和中物聯(lián)托盤(pán)委測(cè)算，2016年的標(biāo)準(zhǔn)托盤(pán)產(chǎn)量為2.8514億片，其中木托盤(pán)占80%以上。

表1：典型托盤(pán)的堆碼工況PDS設(shè)計(jì)結(jié)果

Support Condition 支撐條件Side View側(cè)視圖 End View 端視圖Safe Maximum Load安全最大載荷De fl ection at Maximum Load最大載荷下的變形User Speci fi ed De fl ection Limit用戶(hù)規(guī)定的變形極限Maximum Load for De fl ection Limit變形極限的最大載荷Critical Member危險(xiǎn)構(gòu)件10810 lbs...0.15 in 0.25 in NA 內(nèi)部頂鋪板6352 lbs. per pallet..0.17 in 0.25 in NA 內(nèi)部底鋪板

《GB/T 31148——2014聯(lián)運(yùn)通用平托盤(pán) 木質(zhì)平托盤(pán)》中的常用1200x1000川字型中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)平托盤(pán)和歐標(biāo)托盤(pán)如圖1所示。中標(biāo)托盤(pán)構(gòu)件尺寸都是套用路凱的同類(lèi)托盤(pán)，沒(méi)有做過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)木材材種或使用工況發(fā)生變化，急需采用智能設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行構(gòu)件的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。而目前我國(guó)有的單位發(fā)布的所謂托盤(pán)設(shè)計(jì)軟件，只能畫(huà)圖，沒(méi)有不同工況強(qiáng)度與剛度的分析，無(wú)法對(duì)構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

美國(guó)木托盤(pán)和容器協(xié)會(huì)（National Wooden Pallet and Container Association ，NWPCA)花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元，開(kāi)發(fā)出托盤(pán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)?（PDS）軟件，可以選擇不同鋸材或人造板，根據(jù)托盤(pán)要求的載荷和工況，優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)件的尺寸，還可進(jìn)行單元包裝載荷的分析。早在1984年，PDS就已經(jīng)在物流行業(yè)中享有崇高的聲譽(yù)，為企業(yè)降低物流采購(gòu)成本和減少貨損做出了重大貢獻(xiàn)。表1給出了一個(gè)典型托盤(pán)的堆碼工況PDS設(shè)計(jì)結(jié)果。該軟件的年租金為7150美元。

二、托盤(pán)與單元包裝智能設(shè)計(jì)軟件的算法

美國(guó)PDS軟件的算法和數(shù)據(jù)庫(kù)目前沒(méi)有對(duì)外公布。我們開(kāi)發(fā)的托盤(pán)與單元包裝智能設(shè)計(jì)軟件的算法首先基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的公式，并對(duì)《GB/T 4996-2014 聯(lián)運(yùn)通用平托盤(pán) 試驗(yàn)方法》中的4種典型結(jié)構(gòu)工況進(jìn)行有限元分析，通過(guò)托盤(pán)測(cè)試結(jié)果的參數(shù)識(shí)別獲得有限元分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再用圖2所示有限元分析等結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，使得便于編寫(xiě)軟件的結(jié)構(gòu)力學(xué)算法近似計(jì)算結(jié)果盡可能與比較符合實(shí)測(cè)結(jié)果的結(jié)果一致。于是，按軟件計(jì)算的結(jié)果，基本上與實(shí)際測(cè)試的結(jié)果是相符的。

例如貨架載荷的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析簡(jiǎn)圖假定如圖3所示的簡(jiǎn)支梁。托盤(pán)跨距為l，貨架載荷Pr=2P，P為左右集中載荷，長(zhǎng)短力臂各為l1與l2，R為中央墊塊的反力，支座反力為R1與R2，剪力為Q，彎矩為M，撓度為y。

按理論公式可得托盤(pán)等截面頂鋪板或縱梁板組件中央向下的最大撓度為：

根據(jù)線(xiàn)性疊加原理，雙側(cè)加2個(gè)對(duì)稱(chēng)的P時(shí)，結(jié)果為：

托盤(pán)受力P變形y時(shí)，托盤(pán)頂鋪板或縱梁板中央變形時(shí)經(jīng)墊塊作用于底鋪板中央，產(chǎn)生一個(gè)向下的反力R，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)向上相同大小的反力R。頂鋪板或縱梁板雖然兩端被釘在墊塊上，貨架載荷向下加載時(shí)頂鋪板或縱梁板與墊塊之間的連接鋼釘會(huì)被部分拔起，因此近似假定頂鋪板或縱梁板為兩端簡(jiǎn)支梁模型；中墊塊反力向上或向下加載時(shí)，可近似假定為兩端固定梁模型。前述反力R同時(shí)向下作用于底鋪板，產(chǎn)生相同的變形y。計(jì)算變形和應(yīng)力時(shí)，需注意鋪板為非等截面梁組裝件。

當(dāng)有底鋪板時(shí)中墊塊的反力R在頂鋪板或縱梁板組件產(chǎn)生的向上撓度按兩端固定梁模型計(jì)算為：

頂鋪板或縱梁板組件的總撓度則為：

反力R對(duì)等截面底鋪板組件產(chǎn)生的向下?lián)隙葹椋?/p>

頂鋪板或縱梁板組件的總撓度與反力R對(duì)底鋪板產(chǎn)生的向下變形相等，由此可推出二集中載荷情況下的反力為:

Pallet Design System (PDS)Developed and owned by:National Wooden Pallet and Container Association (NWPCA)Research and development for early versions of PDS were conducted in cooperation with: Center for Unit Load Design, Virginia Tech Department of Wood Science and Forest Products; U.S.D.A. Forest Service and Forest Products Laboratory; APA - The Engineered Wood Association; Software Technologies Laboratory, Virginia Tech Department of Industrial and Systems Engineering The recommendations from PDS are based on the NWPCA's continuing program of laboratory and fi eld research. They represent the best available engineering information compiled to date. However, the quality of workmanship, the input data, and the conditions in which pallets are used may vary widely.Therefore, the Association cannot accept responsibility for pallet performance or design as actually constructed. Wood pallets manufactured to this PDS design are for the sole purpose of storing and/or transporting material. Under no circumstance should any person stand, step, or lean upon them or otherwise use them for support.Pallet Design System - Version 5.1 (C) Copyright 1985-2013 National Wooden Pallet and Container Association, 1421 Prince Street, Suite 340, Alexandria, Virginia 22314-2805 http://www.palletcentral.com All Rights Reserved

其中跨距l(xiāng)可考慮縱梁板和墊塊的影響；Et和EB分別為二者的彈性模量；頂鋪板或縱梁板的總寬為bt和厚度為ht的頂鋪板或縱梁板組件的慣性矩為：

求得R后，代入式（7），便可求得鋪板中央的最大變形。

寬為bt和厚度為ht的頂鋪板或縱梁板組件的抗彎截面矩為：

寬為bB厚度為hB的底鋪板或底梁板組件的抗彎截面矩為：

各點(diǎn)的彎曲應(yīng)力則為：

貨架工況長(zhǎng)方向強(qiáng)度安全系數(shù)為：

貨架工況長(zhǎng)方向剛度安全系數(shù)為：

叉舉、堆碼、和底鋪板彎曲等工況的算法同樣可以推導(dǎo)出不同的算法公式。

三、托盤(pán)與單元包裝的智能設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用實(shí)例

利用上述算法開(kāi)發(fā)出的木質(zhì)平托盤(pán)智能設(shè)計(jì)軟件具有三維制圖、BOM表等成本分析、強(qiáng)度與剛度分析、安全系數(shù)分析、單元包裝優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能。1200x1000川字型中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)平托盤(pán)智能設(shè)計(jì)軟件的部分輸出結(jié)果如圖4所示。

由圖4，可以算出按1200x1000(mm)川字型中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)平托盤(pán)的所選馬尾松等材種的構(gòu)件尺寸下各種工況的強(qiáng)度與剛度的安全系數(shù)。如果為了保證共用系統(tǒng)托盤(pán)的承載能力是貨架載荷為1000kg，叉舉載荷為1500kg，堆碼載荷為4000kg，底鋪板彎曲載荷為1000kg，具有100次的循環(huán)次數(shù)的使用壽命，假定取安全系數(shù)為7，則所設(shè)計(jì)的構(gòu)件材種和尺寸，只有叉取工況下的寬方向強(qiáng)度安全系數(shù)為6.823比假定的目標(biāo)值7稍差一點(diǎn)，其他工況都較保守。因此中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)平托盤(pán)的影響成本的構(gòu)件尺寸和材種選擇，還存在有一定的優(yōu)化余地。

根據(jù)《GB/T 34394-2017 平托盤(pán)最大工作載荷》的規(guī)定，圖5所示幾種單元包裝的平托盤(pán)強(qiáng)度和剛度也可給出分析結(jié)果。

針對(duì)各種木質(zhì)平托盤(pán)和單元包裝開(kāi)發(fā)出的智能設(shè)計(jì)軟件，雖然在某些功能和分析精度等方面與當(dāng)今國(guó)內(nèi)外軟件相比有若干優(yōu)點(diǎn)，但隨著智慧物流的發(fā)展仍然有待進(jìn)行更深層次的開(kāi)發(fā)，以便為今后更大幅度降低物流成本和實(shí)現(xiàn)綠色物流做出貢獻(xiàn)。