基于SolidWorks的汽車側(cè)圍板KD運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)

張宗杰，谷吉海，董 靜，田 野，金向陽(yáng)

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院 包裝科學(xué)與工程技術(shù)省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150028)

在汽車產(chǎn)品貿(mào)易中，KD(Knocked-Down)包裝已成為主要的運(yùn)輸包裝方式.但企業(yè)在包裝設(shè)計(jì)時(shí)主要以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為主，其成本高，周期長(zhǎng)，效率低的缺點(diǎn)明顯.本文以汽車側(cè)圍板為例運(yùn)用Solidworks軟件進(jìn)行包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并利用Simulation插件實(shí)現(xiàn)有限元仿真驗(yàn)證包裝結(jié)構(gòu)的可靠性，為今后的包裝設(shè)計(jì)提供參考[1-6].

1 側(cè)圍板的防護(hù)要求和包裝定位

1.1 產(chǎn)品防護(hù)要求

汽車側(cè)圍板在汽車零部件中屬于沖壓成型的鈑金件，運(yùn)輸過程中要盡力避免較大的沖擊而導(dǎo)致產(chǎn)品的變形破壞[7-10]，于是針對(duì)該產(chǎn)品的特性和物流環(huán)境提出如下包裝防護(hù)要求：

1)避免因產(chǎn)品定位不足導(dǎo)致側(cè)圍板和包裝結(jié)構(gòu)之間的摩擦破壞；

2)包裝箱在集裝箱中層疊擺放時(shí)應(yīng)滿足靜力載荷強(qiáng)度要求；

3)跌落工況下金屬包裝箱和枕木結(jié)構(gòu)要保護(hù)側(cè)圍板避免沖擊破壞.

1.2 包裝定位分析

為了避免汽車側(cè)圍板在運(yùn)輸途中因上下顛簸、左右晃動(dòng)發(fā)生碰撞而造成側(cè)圍板和包裝結(jié)構(gòu)接觸位置的摩擦破損，需要對(duì)側(cè)圍板進(jìn)行定位分析[11-13].汽車側(cè)圍板的定位位置示意如圖1所示.

定位點(diǎn)1的作用是限制側(cè)圍板向左及前后方向的移動(dòng)，防止各個(gè)側(cè)圍板之間的相互碰撞；定位點(diǎn)2、定位點(diǎn)3、定位點(diǎn)4的作用是承重和支撐，同時(shí)限制側(cè)圍板前、后兩個(gè)方向的移動(dòng)；定位點(diǎn)5、定位點(diǎn)6為木架支撐的面接觸點(diǎn)，其作用是限制汽車側(cè)圍板向后的移動(dòng)，同時(shí)還起到支撐和承重的作用；定位點(diǎn)7、定位點(diǎn)8的作用是向下壓住汽車側(cè)圍板，防止其在上下方向上的晃動(dòng)，同時(shí)也有效防止了側(cè)圍板的相互碰撞.

圖1 側(cè)圍板定位位置示意圖

2 側(cè)圍板運(yùn)輸包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 定位枕木與緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車側(cè)圍板片狀的結(jié)構(gòu)特征決定了其在包裝箱內(nèi)的固定及支撐的類型同時(shí)為了提高產(chǎn)品裝箱率[14-15]，本文采用異形槽定位枕木和EVA緩沖材料組成側(cè)圍板包裝的緩沖結(jié)構(gòu)，如圖2所示.

圖2 定位與緩沖結(jié)構(gòu)圖

參考常用集裝箱尺寸本文采用40英尺標(biāo)準(zhǔn)箱作為汽車側(cè)圍板KD包裝的外包裝箱，其有效使用尺寸為11 840 mm×2 280 mm×2 200 mm[1].將最適宜寬度2 280 mm作為包裝件的寬度，根據(jù)此寬度確定包裝件中側(cè)圍板的數(shù)量，側(cè)圍板之間的間隙Δ0=40 mm,側(cè)圍板與框架箱內(nèi)面的間隙Δ=100 mm,則側(cè)圍板數(shù)量為N=(2280-200)÷(100+40)，取N=15，在最適宜的寬度范圍內(nèi)，剩余寬度正好可以用定位緩沖將側(cè)圍板分隔開，最終確定包裝件側(cè)圍板數(shù)量為15塊.

緩沖枕木由上定位、下定位和側(cè)定位組成.上定位枕木緩沖結(jié)構(gòu)由2 200 mm×90 mm×150 mm的木方開槽制成,下定位枕木與側(cè)定位枕木結(jié)構(gòu)相同，由2 280 mm×100 mm×110 mm的木方開槽制成.根據(jù)側(cè)圍板定位處截面尺寸和包裝箱設(shè)計(jì)尺寸確定定位枕木的整體和開槽尺寸如表1所示，二維圖如圖3、4所示.

表1 枕木緩沖結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 上定位緩沖結(jié)構(gòu)

圖4 下定位與側(cè)定位緩沖結(jié)構(gòu)

2.2 包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車側(cè)圍板的包裝箱要有一定的強(qiáng)度和承載能力,保證能夠集裝箱和倉(cāng)庫(kù)內(nèi)堆疊擺放.為了提高包裝箱的重復(fù)利用率，本文選擇鋼材制作側(cè)圍板包裝箱，由箱體和箱蓋兩部分組成,保證產(chǎn)品可以快速裝卸.

結(jié)合汽車側(cè)圍板的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，參照表，選取∠40×40×4角鋼和80×43×5槽鋼用焊接和螺栓連接的方式組裝成包裝箱，包裝箱由箱體和箱蓋兩部分組成，便于裝卸和反復(fù)使用.設(shè)L0、B0、H0分別為側(cè)圍板的長(zhǎng)、寬、高，即L0=2 940 mm,B0=100 mm，H0=1 560 mm，Δ1為側(cè)圍板與箱壁在長(zhǎng)度方向上的間隙，Δ1=40 mm；δ1為每?jī)蓧K側(cè)圍板的間隔間隙，δ1=40 mm，Δ2為側(cè)圍板與箱壁在寬度方向的間隙，Δ2=30 mm；Δ3為高度方向的空間間隙，經(jīng)計(jì)算得包裝箱的內(nèi)尺寸為3 020×2 200×1640 mm.而包裝箱的外尺寸為3 100×2 280×1 680 mm.如圖5所示.

圖5 側(cè)圍板包裝箱

3 包裝結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 靜力分析

運(yùn)用Solidworks軟件中的Simulation插件對(duì)木架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力仿真分析，測(cè)試該結(jié)構(gòu)在常溫狀態(tài)下承受載荷的能力.①為結(jié)構(gòu)配置材料參數(shù)，設(shè)置松木的彈性模量值為3.0 GPa，泊松比為0.29；②選擇夾具方式進(jìn)行固定，將木架支撐的底部進(jìn)行固定；③設(shè)置施加載荷的參數(shù)；④劃分網(wǎng)格并運(yùn)行算例；應(yīng)力結(jié)果如圖6所示，應(yīng)變結(jié)果如圖7所示.

圖6 木結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分布云圖

結(jié)果分析：由圖6可以看出，木架支撐結(jié)構(gòu)最大靜應(yīng)力處為后立柱，最大應(yīng)力為3.172×103N/m2,屈服力為2×107N/m2；該結(jié)果小于木材的許用應(yīng)力10 MPa，說明此結(jié)構(gòu)承壓安全.

3.2 跌落測(cè)試分析

產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中會(huì)遇到因人員操作不當(dāng)導(dǎo)致的跌落沖擊.為了保證包裝結(jié)構(gòu)在此失效形式下的可靠性，對(duì)側(cè)圍板包裝進(jìn)行跌落測(cè)試仿真.在包裝件不同跌落姿態(tài)下，緩沖包裝厚度為角跌落>棱跌落>面跌落，而最大等效應(yīng)力為面跌落>棱跌落>角跌落，本文采用等效應(yīng)力最大的面跌落作為跌落仿真的跌落姿態(tài).有限元模型中各個(gè)部分材料參數(shù)如表2.根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定跌落高度，跌落高度的選擇依據(jù)表3、4.最后確定0.3、0.5、0.8 m三種高度進(jìn)行仿真.

表2 材料參數(shù)

表3 跌落高度參照表

表4 跌落高度的優(yōu)選系列

進(jìn)過有限元計(jì)算，得到框架箱結(jié)構(gòu)包裝整體在跌落過程中應(yīng)力情況，如圖8～10所示.

圖8 0.3 m跌落高度下的應(yīng)力變化圖

圖9 0.5 m跌落高度下的應(yīng)力變化云圖

圖10 0.8 m跌落高度下的應(yīng)力變化云圖

對(duì)這三組測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理，最大應(yīng)力值如表5、6所示.由此得出結(jié)論：框架箱在三組不同高度下跌落，0.3 m時(shí)最大應(yīng)力在角鋼連接處，0.5、0.8 m時(shí)最大應(yīng)力在箱底枕木處，且最大應(yīng)力值均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，包裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求；側(cè)圍板的最大應(yīng)力也在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足內(nèi)裝產(chǎn)品的防護(hù)要求.

表5 框架箱跌落測(cè)試結(jié)果

表6 側(cè)圍板跌落測(cè)試結(jié)果

由圖11側(cè)圍板加速度曲線可知，產(chǎn)品在跌落沖擊時(shí)產(chǎn)生的最大加速度為1.2×103m/s2，滿足產(chǎn)品易損度要求.

圖11 側(cè)圍板加速度曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)側(cè)圍板進(jìn)行運(yùn)輸包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Simulation插件對(duì)模型賦予材料屬性定義工況參數(shù)進(jìn)行靜力和跌落仿真，驗(yàn)證了該包裝設(shè)計(jì)滿足防護(hù)要求.這種方法降低了包裝設(shè)計(jì)的成本縮短了周期，提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，具有一定的實(shí)用價(jià)值.