張浩 陶曄 楊鵬 謝飛

摘 要：為減輕快遞員勞動強度，實現(xiàn)安全綠色分發(fā)貨物的目的，針對高校校園外流動服務(wù)點，設(shè)計一種多功能貨架，其特點為可折疊便于攜帶，快速搭建，同時可根據(jù)實地情況選擇貨架形態(tài)。通過理論計算、仿真有限元分析對結(jié)構(gòu)強度進行計算和校核，保證了結(jié)構(gòu)的安全可靠。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計；多功能貨架；快遞；有限元分析

目前校園快遞主要可分為兩種服務(wù)模式，一是在校園里有固定的服務(wù)點，負(fù)責(zé)接收并暫時保管快遞包裹，等待收件人來自取。這種模式為校園快遞的發(fā)展趨勢，但是還有許多快遞公司不能夠在校園內(nèi)設(shè)立固定的服務(wù)點，如校內(nèi)管理嚴(yán)格，快遞車輛不能駛進校園；或者快遞公司對該校園區(qū)域工作劃分不明確，服務(wù)點設(shè)在校園外小區(qū)內(nèi)等。

第二種就是校園外流動服務(wù)點。快遞包裹不能夠進入校園，只能通過快遞員在固定的時間送達(dá)校園門口，再由收件人自己去取貨物。這種情況下，臨時的快遞點就顯得雜亂無章，貨物隨意堆積在地上，收件人艱難在一堆包裹中尋找自己的貨物，常常出現(xiàn)包裹弄臟、包裝破裂、拿錯、丟失等情況。

1 多功能貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算

1.1 多功能貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對高校校園內(nèi)無快遞代理服務(wù)站的情況下，設(shè)計了一種便于快遞員在運輸中攜帶，又可在流動服務(wù)點快速搭建的貨架，同時還能夠在校門口流動服務(wù)點根據(jù)快遞包裹大小、實地情況等靈活多變，幫助快遞員在搬運和分發(fā)貨物時輕松便捷，安全省力。

1--固定支架；2--3節(jié)伸縮方管；3--移動短支架；4--移動長支架；5--連接固定片。

如圖1所示，貨架分為兩層，每層由4根平行排列的3節(jié)伸縮方管來承擔(dān)貨物，兩層伸縮方管可以根據(jù)實地情況、貨物情況等獨立的選擇伸縮長度，可在多種情況下滿足搭建貨架的要求。每根伸縮方管兩端焊接有鉸接子座，與對應(yīng)支架上的鉸接母座相連接在一起，可以實現(xiàn)支架與伸縮方管相對翻轉(zhuǎn)，從而使得貨架整體翻成折疊一平面，便于運輸途中跟隨快遞車攜帶。

如圖2所示，3節(jié)伸縮方管為3節(jié)長方管嵌套而成，結(jié)構(gòu)兩端各焊接一個鉸接子座。每一節(jié)長方管一端設(shè)計為外開口階梯擋肩，另一端為內(nèi)開口階梯擋肩，使得3節(jié)伸縮桿在最長狀態(tài)下有限位，不會相互脫離。圖3、4、5為多功能貨架不同的工作模式，圖6為多功能貨架的折疊狀態(tài)。

1.2 多功能貨架結(jié)構(gòu)強度計算

多功能貨架在負(fù)載時，由每層的伸縮方管承擔(dān)，所以對貨架進行結(jié)構(gòu)強度計算，就只要對伸縮方管進行抗彎強度計算，3節(jié)相互嵌套伸縮方管的尺寸分別設(shè)計為50*32*2、32*25*2、25*15*2，每節(jié)方管的長度都為500mm，選取截面尺寸最小的一節(jié)方管進行抗彎強度計算。

由公式可得：

根據(jù)查機械手冊可得，25*15*2的長方管的抗彎截面模數(shù)WX=0.854，材料為304不銹鋼的屈服極限為205Mpa。

由理論計算可得，每根伸縮方管的極限負(fù)載為350N。

2 基于Solidworks Simulation模塊的有限元分析

2.1 Simulation有限元模塊線性靜力分析基礎(chǔ)

線性靜力機構(gòu)分析是有限元仿真最常研究的一個領(lǐng)域，它通常是分析和研究機構(gòu)在承受穩(wěn)定外部載荷的情況下所產(chǎn)生的響應(yīng)，這種響應(yīng)一般表現(xiàn)在機構(gòu)或系統(tǒng)產(chǎn)生的位移、應(yīng)變、應(yīng)力等方面[1]。

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，可以列出機械機構(gòu)的動力學(xué)一般方程：

其中，[M]—質(zhì)量矩陣；[C]—阻尼矩陣；[K]—剛度矩陣；{x}—位移矢量；{F（t）}—力矢量。若忽略時間t相關(guān)的項，可以得到：。

2.2 多功能貨架結(jié)構(gòu)的強度分析

有限元模型的建立和分析過程主要包括前處理、求解和后處理3部分[2]。

（1）簡化三維模型，去掉圓角、倒角等，可以使在分析的過程中提高計算效率。直接將Solid Works中已經(jīng)建好的三維裝配體導(dǎo)入有限元模塊Simulation中進行分析。

（2）定義材料。多功能貨架的材料為304不銹鋼，主要機械性能如表1。

（3）定義邊界條件

對多功能貨架最大負(fù)載時進行靜態(tài)分析，即每層伸縮方管為最長狀態(tài)，其兩端與支架定義為鉸接，定義各支架下端面為固定面。

添加外部載荷。根據(jù)設(shè)計要求，每根伸縮方管可承受最大負(fù)載為350N，方向垂直于伸縮方管上端面，載荷加載情況和約束情況如圖7所示。

（4）劃分網(wǎng)格。對裝配體進行網(wǎng)格劃分，生成4個雅可比點，23766個節(jié)點和11399個網(wǎng)格單元，如圖8所示

（5）運行分析，得出結(jié)果。

2.3 伸縮臂受最大推力的仿真計算和結(jié)果分析

多功能貨架在負(fù)載最大的情況下，即是兩層伸縮方管都達(dá)最長狀態(tài)下，受到最大負(fù)載F=350N時，研究分析多功能貨架的應(yīng)力分布情況和變形情況。仿真結(jié)果如圖9和10所示。

通過圖9結(jié)果可以看出：多功能貨架在最大負(fù)載時，整體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力較為均勻，最大應(yīng)力為186.6Mpa，產(chǎn)生在3節(jié)伸縮方管最細(xì)一節(jié)處。從表1中可知，304不銹鋼材料的屈服強度σs為205Mpa。多功能貨架在最大負(fù)載時產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其材料屈服強度，因此多功能貨架的結(jié)構(gòu)受力情況滿足設(shè)計要求。

通過圖10可以看出：多功能貨架在最大負(fù)載時，產(chǎn)生最大變形位移為9.4mm，位于3節(jié)伸縮方管第2節(jié)中間位置。相對于伸縮方管的最長工作位置臂，此變形量較小，并不產(chǎn)生影響，可以保證多功能貨架結(jié)構(gòu)的安全可靠性能。

3 小結(jié)

通過對目前高校校園快遞的情況進行分析調(diào)研，針對高校校園外的臨時代理服務(wù)點的特征，設(shè)計了一種多功能貨架，其特點是可折疊成一平面，方便運輸時攜帶，而且能快速搭建，并可以根據(jù)實地情況，選擇多功能貨架形態(tài)。一定程度上減輕了快遞員的勞動強度，達(dá)到快速便捷，安全綠色的分發(fā)貨物的目的。

通過理論計算和仿真有限元分析對多功能貨架結(jié)構(gòu)強度進行計算和校核，計算出了此設(shè)計結(jié)構(gòu)的最大許用載荷。

參考文獻(xiàn)

[1]陳超祥，葉修梓.Solid Works2010基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]于亞婷，杜平安，王振偉.有限元法-原理、建模及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.