（机械设计及理论专业论文）基于ansys的快装箱力学模型研究.pdf

基于a n s y s 的快装箱力学模型的研究 摘要 快装箱是使用高品质胶合板作为面板，采用镀锌钢带为连接件，可现 场装配或拆卸的封闭木箱。它主要由用带齿的钢带及联结舌扣与胶合板通 过压合组成箱子底、盖、端、侧等部件，而部件之间用联结舌扣与钢边上 的长形孔进行咬合而组装成的。本课题根据国内中小型快装箱企业生产需 求，通过到快装箱生产企业和大型物流公司实习调查，并且还查阅了大量 相关国际、国家标准，掌握了当前国内外市场中快装箱的主要类型、企业 所订制的快装箱箱体综合尺寸、快装箱生产工艺流程以及所选用的箱体材 料、连接件材料性能参数等数据资料，对现行生产的快装箱进行尺寸设计， 结构力学分析及强度计算，以提高快装箱使用效率、方便物流，符合国际 标准为目的，综合现代c a e 技术对快装箱进行了静力学分析，并对快装箱 在运输物流过程中的各种情况进行了动力学分析。 在当前森林资源不足而新型木材材料发展缓慢，科学发展需要包装材 料必须朝着绿色化、可持续化方向前进的现状下，快装箱以其坚固可靠、 装配及拆卸方便、可重复使用减少对环境的负担和符合检验检疫为出口免 检产品等方面的优势，发展特别迅速，逐步占据了现代包装工业中包装运 输领域的巨大市场，具有非常广阔的应用前景。 目前，瑞典的快装箱技术最为先进，国内市场中快装箱的生产刚起步 不久，各个生产厂家都没有实现统一的设计标准，对其所生产的快装箱的 规格、质量及其连接件的材料选用等各行其是，造成了大量人力和物力的 浪费，也降低了快装箱的生产效率。一些产家所设计的快装箱尺寸根本不 合乎运输流通过程中的国际、国家标准规定，且快装箱的生产没有实现统 一的力学标准，造成快装箱在运输过程中失效的情况常有发生，也给物流 业带来一定的经济损失。 本文主要利用p r o e 、a n s y s 等软件平台，建立了快装箱及组成部件 的三维数字化虚拟模型，并进行了较为系统的静力学及动力学仿真分析， 实现了计算机对快装箱按物流运输中强度随时间变化过程的仿真模拟，得 到仿真输出参数和结果，以此来准确推断实际生产的各种数据。通过对不 同箱型中联结舌扣的受力分析与研究，得到舌扣选用数目与内装流动性物 体密度或非流动性物体质量及快装箱综合尺寸的关系公式。并基于数值理 论建立快装箱力学模型，对快装箱生产的标准化，系列化有一定参考价值， 为健全国内快装箱统一的力学标准以及缓冲包装的设计提供了一定的理论 依据。 关键词：快装箱，力学模型，有限元分析，a n s y s ，应力分布图 r es e a r c ho nm ec h a n i c a lm o d e l o f t h ep l y w o o db o xb a s e do na n s y s a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fd o m e s t i cs m a l la n dm e d i u m s i z e dp l y w o o d b o xp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s ，t h i st h e s i st h r o u g hp r a c t i c ea n di n v e s t i g a t i o ni nt h e p l y w o o db o xp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e sa n dt h el a r g e s c a l el o g i s t i c sc o m p a n i e s ， a n dc o n s u l t e dl o t so fi n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cs t a n d a r d s ，k e p ta b r e a s to fd a t a m a t e r i a l si n p r i m a r yt y p e so fp l y w o o db o xi n c u r r e n td o m e s t i ca n df o r e i g n m a r k e t s ，p l y w o o db o x so v e r a l ld i m e n s i o n sc u s t o m m a d eb ye n t e r p r i s e s ，t h e m a n u f a c t u r i n gs e q u e n c e sa n dp r e p a r e dm a t e r i a l s ，p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f c o n n e c t i n gp i e c e sa n ds oo n i no r d e rt oi m p r o v es e r v i c ee f f i c i e n c y ，m a k e e a s i e rf o r1 0 9 i s t i c sa n dc o n f o r mt ot h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r d ，t h i st h e s i s d e s i g n e dp l y w o o db o x sd i m e n s i o n s ，c a r r i e do ns t r u c t u r a lm e c h a n i c sa n a l y s i s a n ds t r e n g t hc a l c u l a t i o n t h e nc a r r i e do nt h es t a t i c sa n a l y s i sb a s e do n s y n t h e s i z i n gt h em o d e mt e c h n o l o g yc a ea n dt h ed y n a m i c sa n a l y s i si nv a r i o u s s i t u a t i o n so ft h ep r o c e s so fl o g i s t i ca n dg o o d st r a n s p o r t a t i o n p l y w o o db o xi saw o o d e n c a s ew h i c hi sm a d eo fh i g h q u a l i t yp l y w o o da s f a c e - - p l a t e s ，c o n n e c t e dw i t hg a l v a n i z e ds t e e ls t r i p s ，a n di t c a na s s e m b l eo r d i s a s s e m b l eo nt h es p o t t h ep e d e s t a l ，c o v e ra n ds i d ep l a t ea r ef o r m e db y t o o t h e ds t e e l s t r i p s o rs t e e lt o n g u ea n dp l y w o o d a tp r e s e n t ，t h ef o r e s t r e s o u r c ei si n s u f f i c i e n ta n dt h en e wg e n e r a t i o no fw o o d e nm a t e r i a l sd e v e l o p s l o w l y ，i nt h ec o n d i t i o n o fs c i e n t i f i cd e v e l o p m e n td e m a n d sp a c k a g i n gm a t e r i a l s m u s ta d v a n c et o w a r dt h eg r e e na n ds u s t a i n a b l ed i r e c t i o n ，p l y w o o db o x d e v e l o p sr a p i d l yb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g eo nr e s o u r c e ，s t r u c t u r e ，i n s p e c t i o n a n dq u a r a n t i n e ，a n di th a sg r a d u a l l yo c c u p i e dt h eh u g em a r k e ti nt h ef i e l do f p a c k a g i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ni nt h em o d e mp a c k a g i n gi n d u s t r y ，t a k e no na n i c ef u t u r e t h i st h e s i su s e dp r o e ，a n s y sa n do t h e rs o r w a r ep l a t f o r m s ，e s t a b l i s h e d 3 一dm o d e l so fp l y w o o db o xa n di t sc o m p o n e n t sa n dc a r r i e do u tt h es t a t i ca n d d y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i ss y s t e m a t i c a l l y ，t h e ng o to u t p u tp a r a m e t e r sa n d r e s u l t sf o r ms i m u l a t i o n ，a c c o r d i n gt h e s ei no r d e rt oi n f e rt h ea c t u a lp r o d u c t i o n i i i o fd a t a a n de s t a b l i s h e dm e c h a n i c a lm o d e l sb a s e do nt h e o r y o fn u m e r i c a l a n a l y s i s ，h a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rs t a n d a r d i z a t i o n ， s e r i a l i z a t i o no f p l y w o o db o x sp r o d u c t i o n i ta l s op r o v i d e da a n a l y t i c a lb a s i s f o rc u s h i o n p a c k i n g sd e s i g n k e y w o r d s p l y w o o db o x ，m e c h a n i c a lm o d e l ，f i n i t ee l e m e n t s a n a l y s i s ， a n s y s ，s t r e s sd i s t r i b u t i o ng r a p h i v 基于a n s y s 的快装箱力学模型的研究 1 绪论 1 1 课题背景及来源 木箱是一种重要的运输包装容器，它以其就地取材、制作简单、耐久性好、 强度高、有一定的弹性、能承受冲击和振动、价格较便宜等诸多优点在运输包 装中具有举足轻重的地位1 1 。木材制作的包装箱很早就被用作运输器具和包装 容器，其具有很多性能优势，如取材广泛、制作较为容易、可承受较大的堆垛 载荷、抗机械损伤能力强、强重比高、具有一定的缓冲性能、易于吊装和回收 性能好等诸多优点，所以至今仍是机电设备与工业产品的主要运输包装容器， 尤其是那些质量大、易碎及需要特殊保护的产品不可或缺的运输包装容器。现 在的木箱制作方法材料利用率很低，开箱困难，空箱的重量和体积太大，不便 于运输，而且我国森林资源又相对匮乏，近年来木材供需之间的矛盾也越来越 激烈，使得实木在包装工业中的继续发展得到了限制，木材资源短缺已成为制 约我国木材工业进一步发展的瓶颈t 2 。针对木包装材料检验检疫制度严格而当 前市场需求大的特点，以提高木材利用率为目标，按照减量化、再利用、资源 化原则，用尽可能少的资源消耗取得最大的经济效益，于是国内各企业所生产 的各类新型木包装箱便在这样的背景下不断涌现，快装箱这种新型运输包装容 器应运而生。 目前快装箱使用的主要材料是包装用胶合板，胶合板是由原木旋切成薄木 片，经切、干燥、涂胶后按木材纹理纵横交错，通过热压机加压而成的。由于 在资源、结构和检验检疫等方面的优势，快装箱以其在资源、结构和检验检疫 方面的优势和较好的应用前景，已在现代包装工业及包装运输领域中逐步占据 了巨大市场【，】。但是在目前国内外市场中，快装箱的生产没有实现统一的力学 标准，各大生产厂家对快装箱的规格、质量及其连接件的材料选用等各行其是， 降低了快装箱的使用效率。一些产家生产的快装箱尺寸不符合运输流通过程中 的国家标准规定，而且快装箱联结件选用数目上也存在着不合理的问题，因而 造成快装箱在运输过程中失效的情况常有发生。 针对当前市场上快装箱设计中存在的不合理想象，通过到快装箱生产企 业、大型物流公司进行调查，以及查阅各类国家、国际标准，对快装箱箱体的 结构设计进行力学研究，继而构建纵、横向载荷与应力、应变及挠度之间关系 的力学模型，并进行通过运输包装件仿真试验来对快装箱在流通过程中的各种 性能进行评定。利用有限元分析软件a n s y s 对快装箱建立几何模型，在模拟外 陕西科技大学硕士学位论文 加压力的情况下对其进行静力分析，反映应力分布，进一步对快装箱进行了动 态力学仿真分析。在仿真实验基础上，运用现代数值分析理论建立快装箱力学 模型，对不同箱型中联结舌扣的受力分析与研究，得到联结舌扣选用数目与内 装流动性物体密度或非流动性物体质量及快装箱综合尺寸的关系公式，分析结 果将为快装箱的设计提供可靠依据，对快装箱生产的标准化，系列化有一定参 考价值，也为缓冲包装的设计提供了一定的分析基础。 1 2 国内快装箱现状及发展趋势状 1 2 1 快装箱简介 快装箱也称免熏蒸胶合板包装箱或出口木质钢带箱包，是采用镀锌钢带结 合舌型锁扣的特殊结构，将六个胶合板面板组合而成，可折叠、可拆装的胶合 板包装箱，联结件为可冲压级冷轧镀锌钢带及舌型扣件，采用的板材是人工复 合而成的优质胶合板，是胶木混合物充分搅拌混合挤压而成，承载力远远超过 传统木箱，以确保包装箱品质坚固耐用，是可全程保护箱内货物安全的一种新 型包装箱，如图卜1 所示： 图1 1 快装箱 f i g 1 1p l y w o o db o x 快装箱常用于出口产品的包装，因而将其折叠后贮运，能极大的降低运输 成本，一般适合用于包装件重量在3 吨以下的工件( 如中小型精密仪器仪表、 易碎易损物品及超大体积物品等) ，其边长一般在io o m m 一2 0 0 0 m m 左右，但也 有一些特大的尺寸。快装箱系列根据不同的钢带结构及加工方法，常分为p 型 箱( 即三片箱) ，如图卜2 所示；s 型箱( 即六片箱) ，如图1 - 3 所示。p 型箱就是 箱体可以拆分为顶、围及底三片，s 型箱就是可以拆分为完全独立的六片，这 样便于运输，使用的时候再组装起来，它灵活装卸的方式使得在再怎么严酷条 2 基于a n s y s 的快装箱力学模型的研究 件下的包装也能轻松完成。 图1 - 2p 型箱 f i g 1 2p t y p ep l y w o o db o x 1 2 2 快装箱的特点 图1 - 3 s 型箱 f i g 1 3s t y p ep l y w o o db o x 快装箱采用的箱板材料是人工复合而成的优质胶合板，不受木材纹理的影 响，独特双面木夹板有效提升水平张力，胶木混合物充分搅拌混合挤压而成，极 大的增加承载能力。其承载力远远超过传统木箱，以确保包装箱品质坚固耐用， 对箱内货物的保护更为安全。钢边可以增加胶合板箱的堆码强度，并能够有效 的降低快装箱边角的破损率。快装箱对内装物具有良好的保护性能，能减少缓 冲包装的费用，降低包装成本。它具有连接可靠、外形美观、可重复使用、轻 量化、便于装卸等一系列优点。快装箱的重量仅为传统木箱的3 0 4 0 t 】，且 具有良好的堆栈性能，除更加轻便外，其外型光洁，平整美观，可喷涂印刷， 能提升客户产品形象。根据承重的不同，可以在底板下直接钉上滑木或者完整 的托盘，方便搬运。装箱与拆箱方便快捷，项盖与侧板可以取下，满足开箱检 查无损伤复原的要求，其拆卸后可折叠贮运，减小了运输空间，极大的降低了 运输成本。快装箱可以循环使用5 次以上，包装成本低于一次性的木箱，免熏 蒸处理，减少了对环境的负担，为出口免检产品，可以在进口国顺利通关。 快装箱因其使用高级多层胶合板为面板、镀锌钢边、钢制舌扣等为联结件， 其所具备的主要的特点有： l 连接可靠，且重量仅为传统木箱的3 0 - 4 0 ，具有良好的堆栈性能。钢 边可以增加胶合板箱的堆码强度，如图卜4 所示。有效地降低箱子边角的破损 率，对内装物具有良好的保护性能，减少缓冲包装的费用。快装箱箱体整体受 力，无论是组装还是运输，都不会出现松动现象，同时避免了漏钉、露钉、少 钉、工艺粗糙、灰尘、雨淋、结构处理不当、运输途中箱体碰撞造成的散架等 问题，保障了产品的安全性，保证了客户收货时的完整性。 陕西科技大学硕士学位论文 2 装箱与拆箱方便快捷，顶盖与侧板可以取下，满足开箱检查无损伤复原 的要求，如图卜5 所示，无论是质量检验还是现场管理都节约大量工作时间。 其拆卸后可折叠贮运，减小了运输空间，极大的降低了运输成本。 图1 4 钢边图1 - 5 拆箱 f i g 1 4s t e e le d g ef i g 1 5u n p a c k i n g 3 可以循环使用五次以上，包装成本低于一次性的木箱，免熏蒸处理，减 少对环境的负担，为出口免检产品，可以在进口时顺利通关，并大大减少管理 费用。和传统木箱相比，快装箱更具有更大的发展潜力和更广的发展前景。 4 外形美观，箱体表面颜色素洁大方，表面光滑平整，可方便在箱体印出 图形和文字，能体现出产品的潜在价值和增大产品附加值，大幅度地提高产品 和企业品牌形象【s 】。 1 2 3 快装箱生产要求 为避免木包装传播有害生物，同时避免给国际贸易带来不便，国际植物保 护组织( i p p c ) 于2 0 0 2 年出台了相关措施，规定用作包装或承载国际贸易货 物的木质包装，在出口前须事先按照国际标准进行热处理或熏蒸处理，加施 “i p p c ”标识，不过快装箱因其使用的主要材料是胶合板而得以免予熏蒸处理。 因为木材材料的含水量大小值直接影响到木材强度和体积，表面和内部水分蒸 发速度不一致，各部分干缩程度不同时，就出现弯扭等不规则变形，干缩不匀 就会出现裂缝，所以快装箱在选用材料时应进行一定的板材筛选和相关干湿 度、含水率检测，仓库存储时做好相关的防湿、防腐工作。普通木箱的钉合、 组装不当会导致包装箱变形、破损进而造成内装物损坏，因此应正确地对镀锌 钢带、钢制舌扣与胶合板压合及组装。此外，为增大产品附加值及说明相关防 范措施，还要在其表面进行喷印包装箱“防潮 、“小心轻放”及“向上”等相 关标志。 4 基于a n s y s 的快装箱力学模型的研究 1 2 4 国内外快装箱研究现状及发展趋势 在全球化的新形势下，制造企业和商业企业面临着日益激烈的竞争，物流 成本直接影响着企业的收益，而包装的设计又直接影响着物流活动的生产率。 因此，现代化得物流系统离不开科学而又合理的包装设计。作为一种运输包装 容器，木箱主要用于重型机电产品的运输包装中，其成本较高，开箱困难，不 可重复使用，加之各国对于采用木材包装的出口商品严加限制，在这样的情况 下新型包装容器快装箱出现了。快装箱适用于电器、五金行业、电子通讯产品、 化工、汽车配件、医疗卫生、中小型机械、贸易、印刷、物流运输以及其他行 业。快装箱在国外被广泛使用，常用于出口产品的包装，现在国内运输包装中 快装箱也开始大量使用，快装箱生产厂家繁多，并且正在不断的增长，但是参 数化设计并没有统一的标准。 世界上快装箱技术最发达的国家是瑞典，我国于近些年才开始对快装箱的 设计进行研究，虽然起步晚，但是已经取得了一些的成果。有许多厂家或单位 在这方面作了一系列有益的工作。无锡市前程木业包装有限公司特邀全国知名 包装专家彭国勋教授为公司的整体包装方案出谋划策，并聘请了邱伏生、李大 纲、许淑惠、沈力中等专家教授为公司顾问，专业生产出口用快装箱、托盘、 大型木箱、围板箱和胶合板等产品，产品远销美国、瑞典、西班牙、德国、日 本、韩国和印度等5 8 个国家和地区。青岛赛帆包装制品有限公司是国内较大 的一家专业从事于包装快装箱、钢带及包装设备的生产制造企业，生产的免熏 蒸胶合板包装箱、镀锌包边钢带及镀锌钢带插件箱包边钢带数控全自动生产线 设备已服务于国内外广大的包装行业。随着科技的发展，国内各快装箱生产企 业都对其产品成本、质量、数量结合当前及未来国内的快装箱市场做了最大的 优化和处理。 1 3 选题研究的意义与任务 木箱是一种重要的运输包装容器，它以其就地取材、制作简单、强度高、 耐久性好、有一定的弹性、能承受冲击和振动、价格也比较便宜等优点在运输 包装中具有举足轻重的地位。但现在的木箱制作方法材料利用率很低，木箱开 箱困难，空箱的重量和体积太大，不便运输，而且木材资源短缺已成为制约我 国木材工业进一步发展的瓶颈。以提高木材利用率为目标，按照减量化、再利 用、资源化原则，以尽可能少的资源消耗取得最大的经济效益，快装箱这种新 型运输包装容器将会受到人们越来越多的重视，其市场巨大，并且还将会不断 扩大。快装箱以其快速拆装能提高工作效率，重复使用能大大降低成本，钢边 5 陕西科技大学硕士学位论文 联结牢固又外形美观等特点，在设计过程中对新型技术和材料的应用，将会成 为一种必然地趋势代替传统意义上的木包装箱，引领着现代包装工业中包装运 输器材领域的发展。 随着快装箱的生产技术、成型加工技术的不断发展，快装箱在包装领域和 其它相关领域的应用己逐步得到推广和发展，建立快装箱的力学模型，对使用 此包装件商品的静态力学和动态力学的研究以及缓冲包装设计都具有理论参 考价值。本课题紧随国际上运输包装容器的发展趋势，针对快装箱缓冲包装与 防振包装设计的需求，对健全国内快装箱设计的力学标准，使国内快装箱的设 计达到国际先进水平，推动快装箱在运输包装领域中的普及应用。 6 基于a n s y s 的快装箱力学模型的研究 2 快装箱尺寸设计 2 1 快装箱的外形结构 快装箱的种类很多，根据不同的钢带结构及加工方法，常分为p 型箱和s 型箱。p 型箱也称三片箱，侧板由钢边固定，顶盖和底座由联结舌扣与箱体连 接。s 型箱也称六片箱，侧板与侧板之间以及顶盖和底座与侧板之间全部由联 结舌扣相互联结而成。 p 型快装箱一般适用于承载不超过2 0 0 0 k g 物品的包装，箱的外形尺寸一 般为长6 m 、宽1 5 m 、高1 5 m 以下，箱的外尺寸长宽高之和为7 m 以下，主要 用于五金，电子通讯，机械等产品的包装，也可用于小件货物的集装。 s 型快装箱是大型快装箱，主要用来包装机械产品，其内装物质量为5 0 0 k g 到2 t ，箱的最大内尺寸为8 0 0 0 m m 3 5 0 0 m m 3 5 0 0 m m 。在设计的过程时也要 考虑到整个流通过程中装卸和储运的可能性，对特殊的运输等条件要做出特殊 的设计。 2 1 1 快装箱p 型箱的外形结构 快装箱p 型箱结构如2 1 图所示，由底座、顶盖、两个端面和两个侧面组 成，端板和侧板由钢边固定，顶盖和底座在现场装箱时由联结舌扣与箱板上的 钢边相联结。 图2 1p 型箱结构 f i g 2 1c o m p o n e n t so fp t y p ep l y w o o db o x 7 陕西科技大学硕士学位论文 1 底座底座是计算和设计的基准，同时它也是组合装配的基准，起着侧 板和端板安装以及支撑内装物的作用，组成底座的构件有底板、滑木、辅助滑 木和卡槽钢边，如图2 - 2 所示： 底板 木 滑木卡槽钢边 图2 - 2 底座 f i g 2 - 2p e d e s t a l ( 1 ) 底板的作用是联结滑木，防止底座偏移，横向钉于滑木之上。 ( 2 ) 滑木是固定于底座长度方向上的组成构件，在起吊时和侧板一起共 同承担内装物载荷，滑木的尺寸主要是根据内装物的质量以及快装箱的内长而 定。 ( 3 ) 辅助滑木是装卸时必有的构件，宽度不应小于滑木宽度的8 0 ，钉 在滑木下面以形成挂绳口和叉口。 ( 4 ) 卡槽钢边钉在底板边缘四周，端板和侧板上的联结舌扣插于卡槽内， 起到联结箱体和底座的作用。 2 箱体结构箱体是由端板、侧板、钢边侧挡和联结舌扣构成，端板和侧 板由钢边固定在一起。 ( 1 ) 端板对于顶盖和侧面来说是支承结构，主要作用是承受箱体来自其 他货物的横向水平冲击。 ( 2 ) 侧板是箱体的应力构件，在起吊时与滑木一起共同承受由内装物所 引起的弯曲载荷，其厚度尺寸主要是根据内装物的质量以及快装箱的长度所 定。 ( 3 ) 钢边侧挡是为了提高箱体结构的整体性，其作用是承受堆码载荷， 在起吊时将滑木的弯曲变形传递给侧板。 ( 4 ) 联结舌扣将底座、箱体和顶盖联结组合在一起，固定于箱板上后插 入钢边上的卡槽中，是快装箱的关键承载部件。箱体上的联结舌扣的刚度和强 基于a n s y s 的快装箱力学模型的研究 度直接关系到快装箱的使用寿命以及内装物的运输安全，在进行快装箱设计时 必须考虑底部联结舌扣的可靠性要求。 3 顶盖顶盖安装于箱体结构之上，用于封闭快装箱，并承受顶盖载荷及 承受起吊时来自钢丝绳的水平挤压。 2 1 2 快装箱s 型箱的外形结构 快装箱s 型箱的外形结构与p 型箱外形结构基本相似，其构成是由底座、 顶盖、两个端面和两个侧面组成，如图2 - 3 所示。两个端板和两个侧板相互分 开，端板两侧边缘高度方向上钉有卡槽钢边，其余两边边缘上钉有联结舌扣， 侧板四边边缘均安装有联结舌扣。装箱时，端板、侧板、顶盖和底座由联结舌 扣插入卡槽钢边相互联结。 卡 图2 - 3 s 型箱结构 f i g 2 - 3c o m p o n e n t so fs - t y p ep l y w o o db o x 2 2 快装箱设计的基本要求 2 2 1 货物集装运输要求 2 0 世纪5 0 年代以来，集装箱运输作为交通运输的一场重大革命，在全球 范围内迅速发展。目前国际航运已普遍采用国际标准化的集装箱运输方式进行 外贸运输，全球国际集装箱运输量以年均6 一8 的速度迅速增长【s 】。集装箱海 运量和港口吞吐量，已成为衡量一个国家综合国力、港航实力和地位的重要标 志之一。改革开放以来，随着中国经济快速发展，综合国力日益强盛，对外贸 9 陕西科技大学硕士学位论文 易日益活跃，集装箱海上运输铁路运输、公路运输、航空运输都得到了迅速发 展【7 】。 为同国际接轨，根据国际集装箱的各种规格和技术参数，1 9 7 8 年我国颁发 了国家标准g b l 4 1 3 - - 7 8 货物集装箱外部尺寸和重量系列，规定了适用于铁 路、水运和公路运输的货物集装箱的外部尺寸及总重。集装箱重量系列采用5 吨、1 0 吨、2 0 吨和3 0 吨四种，相应的型号为5 d 、1 0 d 、1c c 及1 a a 型。5 吨 和l o 吨集装箱主要用于国内运输，2 0 吨和3 0 吨集装箱主要用于国际运输。 除集装箱运输外，公路，铁路、水路、航空运输发展日益迅猛，我国对此 也制订了相应的国家标准，规定了水路、公路运输非危险货物包装的形式与货 物检验及其基本要求，运输包装用框架木箱的类型、设计要求及防护方法、检 验规则以及标志、包装、运输和储存等等。并且还规定了适用于各类产品的运 输包装设计的基本要求、方法和一般程序【s 】。集装箱和货车在当今的物流运输 领域起着重大的主导作用，因此，快装箱在尺寸设计时应当充分考虑到在货物 运输时集装箱和车厢的标准尺寸要求，避免在实际装箱过程中出现所设计的快 装箱不能被装入集装箱和车厢的情况发生o 2 2 2 运输包装件要求 除了对货物集装运输有要求外，我国还专f - j 制订了相关标准对运输包装件 作了特别的要求，规定了经由公路，铁路、水路、航空运输的运输包装件外廓 尺寸和质量界限和用纸、木、塑、金属等各种材质包装的硬质直方体运输包装 最大的平面尺寸等等【9 】。 2 2 3 快装箱制作材料选择要求 1 胶合板的选用要求 胶合板是由木段旋切成单板或由木方刨切成薄木，再用胶粘剂胶合而成的 三层或多层的板状材料，并使相邻层单板的纤维方向互相垂直胶合而成。通常 用奇数层单板，有三层、五层、七层乃至更多层的单板。 ( 1 ) 胶合板尺寸和公差技术条件 表2 1 胶合板的幅面尺寸( m m ) t a b2 1p l a t e nd i m e n s i o no fp l y w o o d ( m m ) ( 2 ) 厚度 1 0 基于a n s y s 的快装箱力学模型的研究 胶合板的厚度为2 7 、3 、3 5 、4 、5 、5 5 、6 m m 。从6 m m 起，按l m m 递增。厚度在4 m m 以下的为薄胶合板，胶合板常用规格厚度为3 、3 5 、4 m m 。 ( 3 ) 幅面尺寸 胶合板的幅面尺寸遵循下表2 一l 中的规定。 ( 4 ) 尺寸公差 按照胶合板的不同公称厚度，胶合板平均厚度与公称厚度之间存在的偏 差，以及胶合板板内厚度的测量的最大差值应符合表2 2 和表2 3 的规定，且 胶合板的平均厚度应精确至0 1 m m 。 对于规定了幅面尺寸的胶合板，其长度和宽度公差为+ 5 m m ，且不允许有 负偏差。 表2 - 2 阔叶材胶合板的厚度公差( m m ) t a b2 - 2t h i c k n e s sd e v i a t i o no fb r o a d - l e a v e dp l y w o o d ( m m ) 平均厚度与公称厚度间允许偏差每张板内厚度的最大允差 公称厚度 砂( 刮) 两面砂不砂( 刮)砂( 刮) 两面砂( 刮) 不砂( 刮) - 0 6 0 4 不高于正 负偏差绝 对值之和 不高于正 负偏差绝 对值之和 不高于正 负偏差绝 对值之和 + 1 5+ 1 7 2 0 61 5 一1 71 5 陕西科技大学硕士学位论文 表2 3 针叶材胶合板的厚度公差( m m ) t a b2 - 3t h i c k n e s sd e v i a t i o no fc o n i f e r o u sp l y w o o d ( m m ) ( 5 ) 胶合板两对角线长度之差 胶合板两对角线长度之差【1 0 】不得超过表2 - 4 的规定： 表2 - 4 两对角线长度允差( m m ) t a b2 3l e n g t ht o l e r a n c eo ft w od i a g o n a l s ( m m ) 胶合板公称长度两对角线长度之差 1 2 2 03 1 2 0 0 1 8 3 04 l8 3 0 2 1 3 55 ( 6 ) 胶合板的翘曲度 将胶合板凹面向上并在无任何外力作用下放置在水平台上，分别沿两条对 角线的方向将金属直尺或绷紧线绳放在板面上，用测量仪器来测量板面与直尺 或线绳之间的最大偏差，精确至l m m 。翘曲度应精确至0 1 ，其计算公式为： 翘曲度= 对角线最大偏差( m m ) 对角线长度( m m ) x1 0 0 ( ) 2 卡槽钢边及联结舌扣的选用要求 快装箱的卡槽钢边及联结舌扣的材料一般选用镀锌钢，它是一种经济且有 1 2 基于a n s y s 的快装箱力学模型的研究 效的防腐蚀钢材料，在表面镀有一定量锌的冷轧或热轧的酸洗钢带，其具有抗 酸、防锈、防蚀、使用年限长和材质轻等优点，还有具有良好的焊接性能及冷 加工成型的性能，这种材料表面较美观，一般有块状或树叶形状的锌结晶花纹。 表2 - 5 镀锌钢分类及代号 t a b2 - 5t h ec l a s s i f i c a t i o na n dc o d eo fg a l v a n i z e ds t e e l 分类项目类别代号 表面普通锌花 n ( r ) 按表面结构分类 表面小锌花 m ( z ) 表面无锌花 f 表面光整 s 高级 f c 表2 - 6 相关技术要求 t a b2 - 6t h ec o r r e l a t i v et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s 化学成分( 9 6 ) 牌号 cm nps s g c c0 1 5 0 8 00 0 50 0 3 0 s g c d l 0 。1 20 6 00 0 40 0 3 0 s g c d 2 0 100 4 50 0 30 0 3 0 s g c d 3 0 0 80 4 50 0 30 0 3 0 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 镀锌钢主要用于建筑业、汽车制造、机电工业以及用作包装材料等。镀锌 钢种类相对较多，镀锌钢的分类及代号可见表2 5 所示，其相关技术要求如表 2 - 6 所示。 一般而言，镀锌钢最常用的种类有电解镀锌钢( s e c c ) 、热浸镀锌钢 ( s g c c ) 。其中电解镀锌钢( s e c c ) 的颜色常常是灰色，表面较细腻，在经 过表面烤漆处理后呈现为均匀颗粒状，不易留下指纹印，即使是长期使用也不 易出现摩擦痕迹及腐蚀等现象。然而，热浸镀锌钢( s g c c ) 在经过处理后会 产生较厚的镀锌层，具有更强的耐蚀性，适合在户外使用，特别是在高温、潮 湿的环境中。s g c c 和s e c c 相比质量要好很多，颜色发亮，表面可以看到模 糊的锌花，但是成本相对也要较高些。 2 3 快装箱的结构尺寸 快装箱的大小可用内尺寸或外尺寸来表示。 1 内尺寸 快装箱的内尺寸可用其内长，内宽和内高来表示。内长指的是两端板内面 之间的距离，内宽指的是两侧板内面之间的距离，内高指的是顶板与底板内面 之间的距离。内长三j 、内宽b 卜内高历是根据内装物的外廓尺寸确定的。 内装物与快装箱内面之间应留出一定空间，空间的大小可以参考后面的设计决 定。若用三o 、b 口、胁表示内装物外廓的长度、宽度和高度，用表示内装物 与快装箱内面的间隙，则快装箱的内尺寸的表达式为( 单位为m m ) ： 内长表达式： 厶= l o + 2 a ( 2 - 1 ) 内宽表达式： 马= s o + 2 a 内高表达式： 马= h o + a 2 外尺寸 快装箱的外形尺寸计算表达式如下( 单位为m m ) ： 外长表达式： 厶= 厶+ 2 + 岛) 外宽表达式： b ：= 墨+ 2 慨+ ) 外高表达式： 1 4 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 基于a n s y s 的快装箱力学模型的研究 h 2 = 马+ 岛+ 瓯+ 岛+ 瓯 在以上表达式中， 磊端板厚度；疋卡槽钢边厚度； 蠡侧板厚度；瓯联结舌扣厚度； 喀项板厚度；瓯底板厚度； 磊滑木厚度；哦辅助滑木厚度； 2 4 快装箱的平面尺寸系列设计 ( 2 - 6 ) 快装箱所选用作为箱板的材料为高品质胶合板，故此为了节约成本及方便 生产，选取规格胶合板板材幅面尺寸为设计参考尺寸，即9 1 5 r a m 和1 2 2 0 m m 两个系列。根据国家标准g b t1 5 2 3 3 的规定，将快装箱箱板模数尺寸设置为 6 1 0 m m x 6 1 0 m m 和6 1 0 m m x 4 0 6 m m 两种尺寸。那么，快装箱箱板的平面尺寸就 应按照有关规定通过整数去乘或除模数尺寸以及同、异规格板材尺寸的方式相 加来得到。 根据国家标准g b t15 2 3 3 的规定可知，快装箱所形成单元货物的最小平 面尺寸必须为1 2 2 0 m m 1 0 0 0 r a m 或1 l o o m m 1 1 0 0 r a m ，且长宽最大偏差应为4 0 m m ， 故此，在设计快装箱的平面尺寸时由模数尺寸进行计算进而得到的单元货物平 面尺寸应设置为1 2 2 0 m m 1 2 2 0 m m 和1 2 2 0 m m 1 0 1 6 m m 。 综上所述，那么可得由6 1 0 m m 6 1 0 m m 这种模数尺寸计算进而形成 1 2 2 0 m m 1 2 2 0 m m 单元货物的平面尺寸可分为倍数尺寸1 2 2 0 m m 1 2 2 0 m m 、约数尺 寸有6 1 0 r a m 3 0 5 m m 、3 0 5 r a m 3 0 5 r a m 、1 5 2 m m 3 0 5 r a m 及1 2 2 m m 3 0 5 m m 等平面尺 寸。由6 1 0 m mx 4 0 6 r a m 这种模数尺寸计算进而形成1 2 2 0 m m 1 0 1 6 m m 单元货物的 平面尺寸可分为倍数尺寸1 2 2 0 m m 1 0 1 6 m m 、1 2 2 0 m m x 6 1 0 m m 、1 2 2 0 m m 4 0 6 m m ， 约数尺寸共可分为6 1 0 m m 2 0 3 r a m 、 6 1 0 m m 1 3 5 m m 、 6 1 0 m m x l o l m m 、 3 0 5 m m 4 0 6 m m 、3 0 5 m m 2 0 3 m m 、3 0 5 m m 1 3 5 m m 、3 0 5 m m 1 0 1 m m 、1 5 2 m m 4 0 6 m m 、 1 5 2 m m 2 0 3 m m 、1 2 2 m m 4 0 6 m m 、1 2 2 m m 2 0 3 m m 、1 0 1 m m 4 0 6 r a m 、1 0 1 m m 2 0 3 m m 等几种。 按幅面宽度的大小来看，快装箱的规格板材可分为9 15 m m 、12 2 0 r a m 两个 系列，9 15 m m 这个系列的规格板材尺寸可分为9 1 5 m m x 9 1 5 m m 、1 2 2 0 m m 9 1 5 m m 、 1 8 3 0 m m 9 1 5 m m 、2 1 3 5 m m 9 1 5 m m 四种；1 2 2 0 m m 这个系列的规格板材尺寸有 1 2 2 0 m m 1 2 2 0 m m 、1 8 3 0 r a m 1 2 2 0 m m 、2 1 3 5 m m 1 2 2 0 m m 、2 4 4 0 m m 1 2 2 0 m m 四种， 由9 1 5 r a m 、1 2 2 0 r a m 两个系列裁制成的规格板材尺寸可分为4 0 6 m i n x l 2 2 0 r a m 、 6 1 0 m m 1 2 2 0 m m 两种。 陕西科技大学硕士学位论文 在快装箱实际生产过程中，某些工业产品体积过于庞大需要胶合板板材进 行拼合，且拼合处需满足国家标准规定的箱板拼合要求，即箱板拼合的数量跟 箱板的尺寸相关，当箱板尺寸小于或等于1 2 0 0 m m 时，不允许进行拼合；当箱 板尺寸在1 2 0 0 m m - - - 一3 6 0 0 m m 这个范围时，拼合的数量不得大于1 条；在箱板 尺寸大于3 6 0 0 m m 时，拼合的数量不得大于2 条，必须规定拼合板的宽度不得 小于2 5 0 r a m ，由9 1 5 r a m 系列的9 1 5 m m 9 1 5 m m 、1 2 2 0 r a m 9 1 5 r a m 、1 8 3 0 r a m 9 1 5 r a m 、 2 1 3 5 m m 9 1 5 m m 几种规格胶合板板材合而成的单元货物平面尺寸按同种规格 板材及拼合数量可分为两类，如下表2 - 7 所示： 表2 - 79 1 5 r a m 系列拼合单元货物平面尺寸( 1 3 1 1 1 1 ) t a b2 - 7t h ep l a n es i z eo fu n i tc a r g os p l i c e db yt h e915s e r i e s ( m m ) 同理可以得到，由1 2 2 0 m m 系列的可分为四类如下表2 - 8 所示： 1 6 表2 - 81 2 2 0 r a m 系列拼合单元货物平面尺寸( m m ) t a b2 8t h ep l a n es i z eo fu n i tc a r g os p l i c e db yt h e 12 2 0s e r i e s ( m m ) 拼合类型拼合数量 平面尺寸 1 8 3 0 x 2 4 4 0 2 1 3 5 2 4 4 0 2 4 4 0 2 4 4 0 3 6 6 0 1 2 2 0 4 2 7 0 1 2 2 0 4 8 8 0 x1 2 2 0 3 3 8 5 x1 2 2 0 2 5 7 9 5 1 2 2 0 由1 2 2 0 聊聊x 4 0 6 m m 、1 2 2 0 m mx6 1 0 m m 、1 2 2 0 m mx 1 0 1 6 m m 这几种裁制规格板 材拼合而成的单元货物平面尺, - j - 按照同种及不同种规格板材和拼合数量可分 为如下表2 - 9 所示两类： 1 7 陕西科技大学硕士学位论文 表2 - 9 裁制规格板材拼合单元货物平面尺寸( m m ) t a b2 - 9t h ep l a n es i z eo fu n i tc a r g os p l i c e db yt