包裝箱作為產(chǎn)品在貯存和運(yùn)輸過(guò)程中的重要載體，不僅具備基本的保護(hù)、隔離及緩沖作用，在一些特殊場(chǎng)合還需要具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高剛度等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)常用的包裝箱還是主要基于木質(zhì)、金屬、塑料等材料進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及制造[1]。木質(zhì)材料不防潮防腐，使用壽命短，并且箱體氣密性不好；金屬材料普遍為鋼制或者鋁合金，耐酸堿腐蝕性差，質(zhì)地較重；塑料材質(zhì)雖然輕便，耐腐蝕性好，但力學(xué)性能較差，作為小型部件的包裝箱、工具箱等的基材使用可行，但作為大型裝備的包裝箱材料顯然無(wú)法滿足其力學(xué)性能要求。因此，大型裝備的包裝箱材料的選取，正逐漸被具有優(yōu)良耐環(huán)境和力學(xué)性能的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所替代。

 

復(fù)合材料包裝箱根據(jù)其使用的具體性能要求，選用合適的增強(qiáng)材料和基體材料進(jìn)行包裝箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。常用的增強(qiáng)材料有玻璃纖維和碳纖維，其中碳纖維以其高比模量、比強(qiáng)度、低熱膨脹性以及良好的耐環(huán)境性，廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、體育器材等諸多領(lǐng)域，而玻璃纖維以其低成本和良好的工藝性作為中低端產(chǎn)品被各行各業(yè)廣泛使用。

 

本文以某型包裝箱為例，選用碳纖維復(fù)合材料作為主材料進(jìn)行包裝箱箱體設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元計(jì)算分析考查包裝箱在運(yùn)輸、堆碼、吊裝、叉車(chē)運(yùn)輸?shù)裙r下的結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)，驗(yàn)證碳纖維復(fù)合材料包裝箱結(jié)構(gòu)合理性和產(chǎn)品可行性。

 

技術(shù)要求

內(nèi)裝物重量不大于 660 千克，尺寸不大于 5450 毫米×715 毫米×1073 毫米，重量不大于 440 千克。貯存和運(yùn)輸時(shí)內(nèi)部充氣，包裝箱內(nèi)外壓力差不小于 10 千帕。包裝箱貯存和運(yùn)輸狀態(tài)可堆碼 2 層，吊掛時(shí)至少 2 箱上下聯(lián)吊。包裝箱采用端面開(kāi)蓋結(jié)構(gòu)，需要提供有內(nèi)裝物裝卸所使用的小車(chē)及軌道。

 

使用的最大過(guò)載為 3.0，即安全系數(shù)取 3。

 

本文中使用的前后處理模塊為 Abaqus/CAE，求解器為 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit，產(chǎn)品版本為 2020版本。本文采用的是 SI mm 單位制。

 

3 包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基本結(jié)構(gòu)

包裝箱整體呈長(zhǎng)方體，前后端部開(kāi)蓋設(shè)計(jì)。箱體結(jié)構(gòu)作為主承力結(jié)構(gòu)，采用碳纖維復(fù)合材料蒙皮的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)制造，設(shè)計(jì)有加筋結(jié)構(gòu)提高結(jié)構(gòu)剛性。內(nèi)腔中設(shè)計(jì)有導(dǎo)軌和小車(chē)，用于進(jìn)行內(nèi)裝物的裝卸，外部設(shè)計(jì)有吊環(huán)與卡箍，用于箱體吊裝、堆碼、叉車(chē)運(yùn)輸以及降低箱體的膨脹變形。

 

 

圖 1. 包裝箱三維結(jié)構(gòu)

 

箱體主要采用碳纖維復(fù)合材料蒙皮+蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩端法蘭及端蓋采用鋁合金材料設(shè)計(jì)，內(nèi)部小車(chē)、軌道以及外部卡箍采用鋼材設(shè)計(jì)制造。

 

2.2 有限元模型

根據(jù)包裝箱的三維結(jié)構(gòu)，將幾何模型轉(zhuǎn)換為有限元模型用于結(jié)構(gòu)分析。

 

 

圖 2. 包裝箱有限元分析模型

 

其中，復(fù)合材料蒙皮由于厚度較箱體尺寸相差很大，故采用殼單元進(jìn)行分析。蜂窩部分與金屬材料部分保留實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但為了分析方便，減少網(wǎng)格畸變，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行了部分修改和分割。

 

4有限元分析結(jié)果

包裝箱的有限元分析包括 5 個(gè)工況，包含有運(yùn)輸、堆碼、吊裝、叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)四種使用工況，以及箱體的堆碼穩(wěn)定性分析，此外還對(duì)復(fù)合材料夾芯板和金屬結(jié)構(gòu)的耐沖擊性能進(jìn)行了初步分析。由于只考慮彈性變形，因此按照要求中的 3 倍安全系數(shù)規(guī)定，計(jì)算過(guò)程中載荷值按 3 倍載荷加載。

 

4.1 運(yùn)輸工況

運(yùn)輸工況下包裝箱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能響應(yīng)如下所示。

 

 

(a) Mises stress

 

 

(b) Displacement

圖 3 包裝箱運(yùn)輸工況分析結(jié)果

 

從上圖中可以看出，在運(yùn)輸工況下，包裝箱的應(yīng)力水平較低，可以滿足產(chǎn)品使用需求。整體應(yīng)力不超過(guò)83MPa，最大位移為 6.77mm，只占包裝箱橫向尺寸的 1.15%，發(fā)生位置為箱體左右側(cè)邊卡箍的中間部分，原因?yàn)槭軞鈮狠d荷作用，箱體的外脹變形占變形量的絕大部分。

 

表 1. 運(yùn)輸工況下包裝箱各部分應(yīng)力應(yīng)變值及安全系數(shù)

 

 

從結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)承受 3 倍載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，因此包裝箱在運(yùn)輸工況下的安全系數(shù)超過(guò) 3。

 

4.2 堆碼工況

堆碼工況中下層包裝箱除了承受自身載荷以外，還需要承受上層包裝箱的壓力作用，因此下層包裝箱的受力狀態(tài)更危險(xiǎn)。下層包裝箱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能響應(yīng)如下所示。

 

 

(a) Mises stress

 

(b) Displacement

圖 4. 包裝箱堆碼工況分析結(jié)果

 

從上圖中可以看出，在堆碼工況下，包裝箱的應(yīng)力水平較低，可以滿足產(chǎn)品使用需求。整體應(yīng)力不超過(guò)142MPa，最大位移為 7.43mm，只占包裝箱橫向尺寸的 1.26%，發(fā)生位置為箱體左右側(cè)邊卡箍的中間部分，主要變形依舊是由內(nèi)部氣壓引起的膨脹變形。

 

表 2. 堆碼工況下包裝箱各部分應(yīng)力應(yīng)變值及安全系數(shù)

 

 

從結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)承受 3 倍載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，因此包裝箱在堆碼工況下的安全系數(shù)超過(guò) 3。

 

4.3 吊裝工況

吊裝工況中上層包裝箱除了承受自身載荷作用外，還需要承受下層包裝箱的拉伸作用，因此上層包裝箱的受力狀態(tài)更危險(xiǎn)。上層包裝箱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能響應(yīng)如下所示。

 

 

(a) Mises stress

 

 

(b) Displacement

圖 5. 包裝箱吊裝工況分析結(jié)果

 

從上圖中可以看出，在吊裝工況下，包裝箱的應(yīng)力水平較低，可以滿足產(chǎn)品使用需求。整體應(yīng)力不超過(guò)176MPa，最大位移為 6.3mm，只占包裝箱橫向尺寸的 1.07%，發(fā)生位置依舊為箱體左右側(cè)邊卡箍的中間部分。

 

表 3. 吊裝工況下包裝箱各部分應(yīng)力應(yīng)變值及安全系數(shù)

 

 

從結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)承受 3 倍載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，因此包裝箱在吊裝工況下的安全系數(shù)超過(guò) 3。

 

4.4 叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)工況

叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)工況下包裝箱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能相應(yīng)如下所示。

 

(a) Mises stress

 

 

(b) Displacement

圖 6. 包裝箱叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)工況分析結(jié)果

 

從上圖中可以看出，在叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)工況下，包裝箱的應(yīng)力水平較低，可以滿足產(chǎn)品使用需求。整體應(yīng)力不超過(guò) 91MPa，最大位移為 6.9mm，只占包裝箱橫向尺寸的 1.17%，發(fā)生位置依舊為箱體左右側(cè)邊卡箍的中間部分。

 

表 4. 叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)工況下包裝箱各部分應(yīng)力應(yīng)變值及安全系數(shù)

 

 

從結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)承受 3 倍載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，因此包裝箱在叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)工況下的安全系數(shù)超過(guò) 3。

 

4.5 堆碼穩(wěn)定性分析

堆碼穩(wěn)定性分析考慮包裝箱上下兩層堆疊，由于包裝箱與地面的接觸部分只發(fā)生在卡箍的區(qū)域，因此分析時(shí)選取帶有卡箍的一段結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

 

 

圖 7. 堆碼穩(wěn)定性分析模型

 

通過(guò)給予結(jié)構(gòu)作用位移，考察載荷施加大小的變化，繪制載荷施加點(diǎn)的反作用力隨結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移的變化曲線，分析出何時(shí)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生傾覆。

 

 

圖 8. 作用力與位移關(guān)系圖

 

從圖中可見(jiàn)，載荷施加點(diǎn)作用力的變化可以分為兩部分，前半部分作用力快速上升，到達(dá)拐點(diǎn)之后上升速率明顯減慢，曲線斜率也隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加而降低。前期快速上升段對(duì)應(yīng)的是箱體還未偏離地面時(shí)，下層包裝箱的底面和地面完全接觸，隨著力的增加，接觸作用力逐漸減小，最終遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸的那一側(cè)的箱體卡箍底面翹起，逐漸脫離地面，此時(shí)最大作用力為 1253.5N，則總作用力大小為 5014N 時(shí)上下堆碼的包裝箱發(fā)生傾斜。

 

后期的緩慢上升段對(duì)應(yīng)箱體卡箍已經(jīng)部分離開(kāi)地面，隨著作用力的繼續(xù)施加，箱體隨旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作用力的大小變化與箱體結(jié)構(gòu)的變形、箱體轉(zhuǎn)動(dòng)等導(dǎo)致的載荷力臂和作用力力臂變化有關(guān)。根據(jù)曲線上點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，求得曲線的最高點(diǎn)，也就是使得雙箱堆疊所需要的最大傾翻力。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到該段箱體的最大傾翻力為 1807N，則總作用力大小為 7228N，即需要 7228N 的力才能夠?qū)⑸舷露汛a的包裝箱推翻。

 

4.6 復(fù)合材料層沖擊分析

針對(duì)包裝箱復(fù)合材料層受沖擊載荷時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了分析計(jì)算，就復(fù)合材料層的應(yīng)力應(yīng)變及位移分布情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，從而得出復(fù)合材料層所能承受的最大沖擊能量。沖擊過(guò)程中復(fù)合材料的應(yīng)力變化如下所示。

 

 

圖 9. 復(fù)合材料層沖擊分析結(jié)果

 

定義形狀為 100mm*100mm*100mm 的剛性實(shí)體塊以一定初速度沖擊復(fù)合材料層，考慮實(shí)體塊的重力作用，當(dāng)重物落到最低點(diǎn)，此時(shí)重物動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，此時(shí)間往后，重物將被彈回。此時(shí)應(yīng)力最大為 502.2MPa，小于材料極限強(qiáng)度，最危險(xiǎn)層為環(huán)向碳纖層，最危險(xiǎn)應(yīng)力為纖維橫向應(yīng)力，大小為 39.7MPa，結(jié)構(gòu)可能的失效形式為碳纖維環(huán)向?qū)踊w開(kāi)裂，最大變形量為 13.8mm。復(fù)合材料層可以承受沖擊載荷作用不失效，此時(shí)所承受的沖擊能量為 98J，相當(dāng)于 10kg 重物從 1m 高度落下時(shí)所產(chǎn)生的能量。

 

4.7 金屬材料沖擊分析

針對(duì)包裝箱金屬材料受沖擊載荷時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了分析計(jì)算，就金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變及位移分布情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，從而得出金屬材料所能承受的最大沖擊能量。沖擊過(guò)程中金屬材料的應(yīng)力變化如下所示。

 

 

圖 10. 金屬材料沖擊分析結(jié)果

 

沖擊模擬選取包裝箱結(jié)構(gòu)中的典型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，考慮金屬材料的實(shí)際使用情況，模擬過(guò)程采用直徑20mm 的實(shí)心小球進(jìn)行沖擊?？紤]小球的重力作用，當(dāng)重物落到最低點(diǎn)，此時(shí)重物動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，此時(shí)間往后，重物將被彈回。此時(shí)應(yīng)力最大為 235.8MPa，剛好達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，應(yīng)力最大點(diǎn)為小球重物與金屬方管接觸的中心位置，應(yīng)變最大為 878.4με，最大變形量為 1.46mm。此時(shí)金屬材料可以承受沖擊載荷作用且不發(fā)生塑性變形，所承受的沖擊能量為 0.5J，相當(dāng)于 1kg 重物從 51mm 高度落下時(shí)所產(chǎn)生的能量。

 

5 結(jié)論

通過(guò)針對(duì)包裝箱在運(yùn)輸、堆碼、吊裝和叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)四種工況下的力學(xué)性能響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)地計(jì)算及分析，發(fā)現(xiàn)所有參數(shù)均滿足產(chǎn)品使用要求，最大位移占包裝箱尺寸比例不超過(guò) 1.3%，因此該種包裝箱可以滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，是一款合格的包裝箱產(chǎn)品。

 

對(duì)于堆碼穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到，需要 7228N 的力才能夠?qū)⑸舷露汛a的包裝箱推翻，需要 5014N 的力才能夠?qū)⑸舷露汛a的包裝箱推動(dòng)(傾斜)。對(duì)于結(jié)構(gòu)的沖擊性能，復(fù)合材層至少可承受作用在 100mm*100mm 區(qū)域內(nèi) 98J 的沖擊能量不破壞，金屬材料至少可承受直徑 20mm 的小球造成的 0.5J 沖擊能量作用不屈服。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方