中圖分類號：U169.3 收稿日期：2025-03-05 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.019

Abstract：Withtheincreasingdemandforeicientloadingndspaceutilizationinthelogisticstransportationindustrytraditional single-layercaracksvebecomeisufcientforodetasportatioeds，especiallforong-distaceceantransportofveicles.Toadrestisallnge，ovelfootdouble-yerfoldingcarrackspecificallydesignedfrmaritietransportatonispr posedinthispaper.Testructurallayoutensuresthatinthefoldedate，itompletelyfitsithintheintealdimensiosof4foot standardcontainerfaclitatinglandtransportandemptyrackreturn；intheunfoledstate，therackcanloadfourpassengerarsandis suitableforstackingandsecuringonshipdecks.Keycompoentsofterackincludehingebases，supportframes，andbaseframes，all madeofhigh-strengthsteeltoguaranteestructuralstrengthandrigidityunderharshmaritieconditions.Finiteelementanalysis（FEA） wasconductedonthecriticalperformanceofthesupportframe.Teresultsindicatethatunderauniformloadoftons，themaximum deformation is 3.24mm and the maximum stress is 174.4MPa ，both satisfying the design requirements.This research provides new insights and references for the design of logistics transportation equipment used in maritime applications.

Keywords：Car rack;Double-layer;Folding；maritime transportation;Structural performance

1前言

隨著物流運輸行業(yè)的迅速發(fā)展，運輸設備的設計與優(yōu)化需求日益突出。現(xiàn)代物流運輸尤其是國際汽車航運領域，強調高效裝載、空間利用率及運輸適配性的提升，而傳統(tǒng)的單層運車架在這些方面存在顯著的局限性，已難以滿足日益增長的遠洋運輸需求。特別是在長距離跨區(qū)域甚至跨洲運輸中，如何在有限的船舶空間內(nèi)安全裝載更多車輛，同時確保運輸裝置的結構穩(wěn)定性和可靠性，已成為航運工業(yè)界關注的重點[1-2]。針對這一需求，不僅需要在結構設計上進行創(chuàng)新，還需要綜合考慮多種工況下的實際應用場景，包括滿載、裝卸、運輸震動和環(huán)境變化等[3]。

在當前物流運輸設備市場中，雙層運車架因其較高的裝載能力和空間利用率，逐漸成為一種解決方案[4]。然而，現(xiàn)有的雙層運車架設計仍面臨一系列技術難題。一方面，傳統(tǒng)車架設計在復雜工況下的強度和穩(wěn)定性難以滿足要求，尤其在滿載情況下容易出現(xiàn)應力集中和結構變形等問題。這種結構性能的不足，不僅影響運輸安全性，還可能增加設備的維護成本和使用風險。另一方面，為了提升空間利用率，雙層運車架通常設計有復雜的折疊機構。然而，這些折疊機構在實際應用中可能缺乏足夠的可靠性，不僅容易出現(xiàn)操作困難，還可能在運輸振動或惡劣環(huán)境下發(fā)生損壞，進而影響設備壽命和運輸效率。

此外，國際航運業(yè)對車輛運輸裝置提出了更加嚴格的技術標準，包括設備尺寸適配性、結構強度、耐久性及通用性等要求。尤其在跨國海運中，運車架折疊狀態(tài)下需嚴格適配國際標準集裝箱的內(nèi)部尺寸，同時在展開狀態(tài)下滿足車輛的安全裝載與海運工況的嚴苛要求[5]。這就要求運輸設備設計在兼顧高裝載能力的同時，確保結構強度的安全裕度和實際操作的便利性[6]。這些挑戰(zhàn)進一步加劇了雙層運車架設計的復雜性，也對工程設計和分析提出了更高的要求。

為解決上述問題并有效應對行業(yè)需求，本文提出了一種專用于航運的新型40尺雙層折疊運車架設計。該設計以優(yōu)化空間利用率、提高航運裝載能力為核心目標，嚴格遵循國際標準集裝箱內(nèi)部尺寸進行設計，確保運輸適配性和通用性；并采用有限元分析技術評估了運車架關鍵部件的結構強度性能，以確保滿足航運特殊工況下的安全性與穩(wěn)定性要求。該運車架展開狀態(tài)可在船舶甲板露天堆疊運輸，折疊狀態(tài)可裝入標準集裝箱便于運輸或回運，提高了運輸設備的靈活性。

2新型折疊運車架的設計

2.1總體設計方案

目前廣泛使用的單層運車架結構簡單，但裝載效率不足，運輸能力受限。如圖1所示，單層運車架在船舶甲板堆疊運輸時裝載車輛數(shù)量有限，單層運車架折疊后雖然可放入標準集裝箱運輸，但回運效率較低，增加了運輸成本。為解決上述問題，本文設計了一種新型的40尺雙層折疊運車架，以優(yōu)化空間利用率、提高航運裝載能力為核心目標。

新型折疊運車架總體結構如圖2所示，主要由端柱、鉸鏈座、底架、支撐柱和支撐架組成。兩個支撐架對稱布置，通過支撐柱穩(wěn)固地安裝在底架上，端柱與支撐架均可通過具有自鎖功能的鉸鏈座折疊于底架之上，從而實現(xiàn)結構的緊湊化設計，方便在非工作狀態(tài)下的存儲和運輸。運車架的尺寸設計嚴格遵循40尺標準集裝箱的內(nèi)部尺寸（長 12024mm× 寬 2352mm× 高 2390mm ，在折疊狀態(tài)下能夠完全適配集裝箱的空間要求；而在展開狀態(tài)下，其尺寸為長 12.032m× 寬 2.352m× 高 2.385m 能夠裝載4輛轎車。

為了保證實際裝載能力，折疊運車架的內(nèi)部尺寸參考了大眾高爾夫（兩廂汽車）車輛參數(shù)（長 4296mm× 寬1 788mm×1 471mm ，確保車輛能夠順利裝入并穩(wěn)定固定。

折疊運車架的工作原理如圖3所示。圖3a展示了雙層運車架的初始折疊狀態(tài)。裝載車輛時分以下四步：

a.打開兩側端柱，將端柱展開至豎直位置，如圖3b所示；b.調節(jié)支撐架并放置引橋，將兩輛汽車倒入支撐架上，如圖3c所示；c.由叉車將支撐架挑起至適當位置，并用插銷固定在支撐柱上，如圖3d所示；d.重新放置引橋，將另外兩輛汽車駛人底架上，如圖3e所示。圖3f所示為裝載完畢的運車架狀態(tài)。

2.2關鍵部件設計

折疊運車架由多個功能部件模塊組成，其中鉸鏈座、支撐架與底架是確保運車架正常運行的核心結構。鉸鏈座負責端柱與支撐柱在折疊與展開狀態(tài)間的轉換，并通過自鎖功能保證結構的穩(wěn)定性和安全性；支撐架與底架則承擔運車架上車輛的重量，其結構強度和輕量化設計對運車架整體性能具有重要影響。

鉸鏈座作為端柱或支撐柱折疊與展開的核心部件，其主要功能是實現(xiàn)折疊與展開過程中的自鎖和解鎖（圖4）。在運車架從折疊狀態(tài)轉換至展開狀態(tài)時，內(nèi)鉸鏈通過鉸鏈銷與支撐柱協(xié)同轉動，由水平狀態(tài)逐步轉至豎直狀態(tài)。在這一過程中，插銷沿導向限位塊的斜面向上運動，當內(nèi)鉸鏈完全轉至豎直位置后，插銷因重力作用下落并進入導向限位塊，完成自鎖（圖4a）。從展開狀態(tài)轉換至折疊狀態(tài)時，需通過腳踩踏板進行解鎖操作。踏板通過銷軸帶動支撐柱運動，支撐柱沿導向限位塊的槽推動插銷至最高位置，隨后內(nèi)鉸鏈逐步轉回水平狀態(tài)，插銷退出限位塊，完成解鎖與折疊（圖4b）。

底架作為車架的主體結構，是整個折疊運車架承載與連接的核心部分，其設計需具備較高的穩(wěn)定性和強度。為滿足承載能力的需求，底架采用邊梁式結構，有效提高了整體載荷性能（圖5a）。同時，底架上配置鉸鏈機構，與端柱及支撐柱相連接，以實現(xiàn)車架的折疊與鎖定功能，從而確保折疊狀態(tài)與工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)轉換。為增強底架的結構強度并延長使用壽命，整體選用高強度H型鋼作為主要材料。

支撐架框架采用側梁結構設計，并在框架內(nèi)布置多根橫向梁和沖孔壓板（圖5b）。在車輛承載過程中，側梁作為主體承載構件，通過焊接連接至橫梁，橫梁將載荷分散并傳遞至縱梁。該結構設計能夠有效降低局部應力集中，提升支撐架整體強度和穩(wěn)定性。同時，通過優(yōu)化支撐架材料與截面形式，支撐架實現(xiàn)了在保持強度的前提下盡可能降低自重，滿足了輕量化和運輸適配性的雙重要求。

3結構有限元分析

支撐板是折疊運車架的關鍵承載部件，其設計需在滿足輕量化要求的同時具備足夠的強度和剛度。在車輛裝載時，支撐板處于懸空狀態(tài)，僅通過兩端的側梁連接至支撐柱。懸空狀態(tài)下，支撐板承受車輛重量的集中載荷，其結構性能對車輛裝載的平穩(wěn)性以及運車架整體的安全性具有決定性影響。因此，對支撐板結構強度的校核至關重要。為評估支撐板在實際工況下的承載能力及變形特性，對其主體框架進行有限元靜力學分析。

有限元模型中，支撐板的主體框架由橫梁和側梁組成，依據(jù)實際設計尺寸進行建模，各構件通過剛性連接模擬焊接狀態(tài)。材料選擇為Q345高強度鋼。為保證計算精度，同時兼顧計算效率，支撐板模型采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分。橫梁與側梁連接區(qū)域由于承受較大應力集中，采用較細密的網(wǎng)格劃分以捕捉應力分布細節(jié)，單元尺寸控制在 5mm 左右；對于受力相對均勻的部位，如側梁中段，采用稍大的網(wǎng)格以減少計算量。整體網(wǎng)格劃分經(jīng)過多次收斂性測試，確保仿真結果的準確性與穩(wěn)定性。載荷與邊界條件基于實際工況進行設置。車輛總重量為2t，載荷以均勻靜載荷的形式施加在車輪與支撐板接觸區(qū)域附近的橫梁與側梁連接處，模擬車輛通過輪胎傳遞至支撐板的真實受力情況。為模擬支撐板的懸空狀態(tài)，在兩端橫梁與支撐柱連接處施加固定約束。

支撐架的仿真結果如圖6所示。在2t均勻載荷作用下，支撐板的最大變形發(fā)生在側梁中間部位，變形量為3.24mm ，表明在現(xiàn)有設計下支撐板具有良好的剛度和抗變形能力。變形值遠低于設計允許范圍，未對車輛裝載的平穩(wěn)性產(chǎn)生顯著影響。應力分布分析顯示，最大應力值出現(xiàn)在橫梁與側梁的連接區(qū)域，為174.4 MPa，僅為材料屈服強度的50.50/0。應力值遠低于0345鋼的屈服強度，表明支撐板結構設計能夠滿足強度要求。

4結語

本文提出了一種面向航運的新型40尺雙層折疊運車架設計，以解決現(xiàn)有單層運車架裝載效率低、運輸成本高的問題。該設計在展開狀態(tài)下可在船舶甲板露天堆疊運輸，折疊狀態(tài)下可放人標準集裝箱內(nèi)進行運輸或空架回運，提高了航運運輸設備的靈活性。運車架中的鉸鏈座通過自鎖機構實現(xiàn)了端柱與支撐柱的穩(wěn)定折疊與展開，支撐架與底架采用高強度鋼材料，具備足夠的承載能力與結構剛度。有限元分析結果表明，支撐架在承受2t均勻載荷工況下，最大變形為3.24 mm，最大應力為174.4 MPa，均滿足設計要求，充分保障了車輛裝載的穩(wěn)定性與航運運輸?shù)陌踩浴Ｔ撔滦瓦\車架結構緊湊、裝載能力強，適合海上運輸，具有良好的工程應用前景和推廣價值。

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作者簡介：

陳建軍，男，1976年生，高級工程師，研究方向為集裝箱領域設計、制造、檢測等全領域開發(fā)與管理。

朱勇波（通訊作者），男，1990年生，工程師，研究方向為集裝箱領域設計開發(fā)。