物流作業(yè)中一種基于3D仿真技術(shù)的新型飛翼車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陶靖天，楊軍健，衛(wèi)飛飛，彭其淵

（西南交通大學(xué)　交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川　成都　611756）

物流作業(yè)中一種基于3D仿真技術(shù)的新型飛翼車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陶靖天，楊軍健，衛(wèi)飛飛，彭其淵

（西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川成都611756）

為解決傳統(tǒng)飛翼車在實(shí)際物流作業(yè)過程中出現(xiàn)的托盤滑動和飛翼車廂門開閉傷人等問題，從系統(tǒng)的角度，設(shè)計(jì)了新型飛翼車托盤限位防滑系統(tǒng)和短工作半徑飛翼系統(tǒng)，通過建立3D仿真模型，運(yùn)用機(jī)械原理及基于Autodesk inventor軟件的有限元應(yīng)力分析技術(shù)對新型車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，最大程度保障飛翼車運(yùn)輸和作業(yè)安全。

物流作業(yè)；飛翼車；3D仿真；機(jī)械原理；有限元應(yīng)力分析

1　引言

飛翼車是普通廂式車的改進(jìn)，是一種能通過手動裝置或液壓裝置開啟車廂兩側(cè)翼板的物流運(yùn)輸專用車輛，由于其具有裝卸速度快、效率高、可側(cè)面裝卸等優(yōu)點(diǎn)，已成為大型物流公司運(yùn)輸?shù)淖罴堰x擇。目前國內(nèi)較為常見的是一汽大眾公司生產(chǎn)的型號為TS03的飛翼車，該車身全長10.2m，高3.9m；車廂長7m，高2.91m；該車廂兩側(cè)翼板均能打開，一般只開啟左側(cè)翼板，翼板張開最大角度為90°，叉車可從左側(cè)裝貨，極大地提高了飛翼車作業(yè)的效率。目前國內(nèi)外專家、學(xué)者針對飛翼車的使用前景以及外部結(jié)構(gòu)研究較多，較少見從飛翼車的運(yùn)輸安全和作業(yè)安全角度出發(fā)，對其結(jié)構(gòu)問題的研究。張榮生針對翼開啟式廂式車（飛翼車）頂部的防水問題，設(shè)計(jì)了一種能夠有效防止頂部漏水、經(jīng)久耐用的頂篷布結(jié)構(gòu)，介紹了其結(jié)構(gòu)及安裝方式［1］。林武采用UG軟件建模，利用其內(nèi)置的ADAMS和NX NASTRAN解算器進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和有限元分析［2］。本文從實(shí)際出發(fā)運(yùn)用3D仿真技術(shù)針對飛翼車在運(yùn)輸作業(yè)安全領(lǐng)域出現(xiàn)的問題進(jìn)行車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升飛翼車運(yùn)輸作業(yè)的安全性。

2　問題描述

目前飛翼車運(yùn)輸作業(yè)過程中主要出現(xiàn)以下問題：（1）托盤在車廂內(nèi)無固定設(shè)施，當(dāng)遇到緊急剎車或通過顛簸不平路面時極易造成托盤相對于車體滑動，相互間發(fā)生碰撞造成貨物損壞等問題；（2）飛翼車門由于臂展過長，飛翼開閉過程中易刮碰托盤和叉車；（3）經(jīng)常有裝卸工人由于疏忽等原因靠近飛翼車，飛翼廂門開閉過程中造成人員傷亡，過長的飛翼半徑會導(dǎo)致空間利用效率低下。本文主要從以上三個視角出發(fā)，運(yùn)用3D建模仿真技術(shù)對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，包括在車廂上托盤的防滑、車廂翼板的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)和提高，并運(yùn)用機(jī)械原理、有限元應(yīng)力分析技術(shù)結(jié)合模型進(jìn)行檢驗(yàn)，保障新型車體結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。

3　新型飛翼車托盤限位防滑系統(tǒng)模型

3.1三維仿真建模設(shè)計(jì)

托架可用于固定和安放限位銷，溝槽則方便取出托架并對其進(jìn)行維護(hù)。限位銷對托盤進(jìn)行機(jī)械限位，承受來自托盤的沖擊力。同時，限位銷底部設(shè)有回彈介質(zhì)，可以使限位銷回彈復(fù)位。當(dāng)托盤壓在限位模塊時，未被壓下的限位銷處于突起狀態(tài)，從而達(dá)到機(jī)械限位的目的，如圖1所示。

圖1　托盤防滑限位系統(tǒng)3D模型

3.2功能介紹

圖2　托盤裝載限位系統(tǒng)功能演示

3.3有限元應(yīng)力分析

對主要受力部分限位模塊進(jìn)行有限元分析，以判斷其可行性。限位銷直徑選用20mm。針對單個限位銷和托盤進(jìn)行有限元分析。

定理1：對實(shí)驗(yàn)力150N大小選取的說明：車體在經(jīng)過顛簸不平路況時，車廂發(fā)生搖晃。據(jù)測算，晃動的加速度a約為3.86m/s2。如果將其簡化為理想情況，計(jì)算得到?jīng)_擊力為150N。在實(shí)際情況中受力情況十分復(fù)雜，受到的沖擊力會小于150N。此外，在模擬時，將力調(diào)大至800N限位銷仍然正常工作。經(jīng)Autodesk inventor軟件受力分析可知，直徑20mm的限位銷足以滿足飛翼車托盤運(yùn)輸需要。

4　短工作半徑飛翼廂門模型

4.13D仿真建模設(shè)計(jì)

車體通過CAD制圖設(shè)定尺寸，并結(jié)合模型車廂尺寸和實(shí)際車輛尺寸，采用1：7的比例進(jìn)行建模。車體建模示意圖如圖3所示，兩段式飛翼示意如圖4所示。

圖3　車體模型

圖4　兩段式飛翼

對短工作半徑飛翼系統(tǒng)中的兩段式飛翼廂門和末端飛翼同步系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。主轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪位于車廂一側(cè)，副轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪位于末端飛翼處，而這都通過鎖環(huán)、滾針軸承、鏈輪固定銷對其進(jìn)行固定。主轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪和副轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪通過同步鏈條連接，三者共同組成同步系統(tǒng)。此外，同步鏈條上方設(shè)有遮雨罩，極大地提高了該系統(tǒng)的可靠性，如圖5所示。

圖5　同步系統(tǒng)

4.2功能介紹

同步系統(tǒng)工作要點(diǎn)為：（1）主轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪固定于車廂一側(cè)，當(dāng)飛翼車門開閉時，主轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪相對于車體保持靜止?fàn)顟B(tài)（不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動）；（2）副轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪與主轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪通過同步鏈條連接，主轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪與副轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪等徑，因此以車廂為參考系，副轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動；（3）副轉(zhuǎn)點(diǎn)鏈輪固定于末端飛翼，這就使得在開閉過程中，末端飛翼在同步系統(tǒng)的作用下始終與車體保持豎直狀態(tài)。飛翼開閉半徑與末端線速度大幅減小，減少飛翼掃掠截面，增加安全性和空間利用率。

從表中可以看出，《中國日報(bào)》和《紐約時報(bào)》都用了一定數(shù)量的轉(zhuǎn)述引語來增強(qiáng)新聞的真實(shí)性和客觀性。但《紐約時報(bào)》中直接引語多于《中國日報(bào)》，而《中國日報(bào)》中間接引語則多于《紐約時報(bào)》。中國記者多采用間接引語的方式賦予自己的觀點(diǎn)和態(tài)度。

通過等徑鏈輪和鏈條，實(shí)現(xiàn)開閉過程中飛翼與車體保持豎直狀態(tài)，從而減小工作半徑、節(jié)約工作空間。本系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　兩段式飛翼和末端飛翼同步系統(tǒng)

4.3機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

（1）兩段式飛翼結(jié)構(gòu)分析

此外飛翼車完全展開后，飛翼高度為（2 550mm-600mm）/2=975mm=0.975m，而車體高為3.9m，故總共長為4.875m，廠棚高為7-8m，故不會對廠棚有任何損害。

定理2：經(jīng)過平面幾何計(jì)算分析可得，改進(jìn)后飛翼工作半徑減少大約50%，能有效節(jié)約作業(yè)空間，且不會對整個廠棚有任何損害，提高作業(yè)的安全性。在飛翼半徑方面，改進(jìn)后的飛翼車與原有飛翼車相比，半徑大大減小。

（2）同步系統(tǒng)可靠性分析。飛翼車單側(cè)廂門重量：根據(jù)型號TS03飛翼車尺寸，計(jì)算新型飛翼車單側(cè)廂門重量。新型飛翼車不改變原有飛翼車廂門材料構(gòu)成，新型飛翼車單側(cè)廂門由兩塊鋼板、中間槽鋼組成。

計(jì)算廂門重量：車廂長為7m，高為2.51m，其中鋼板厚度為1.5mm。其中初段廂門長為7m，寬為（2.55-0.6）/ 2=0.975m，寬度為1.5mm。則初段廂門面積為0.975× 7×2=13.65m2，同理可得末端廂門面積為35.14m2，故單側(cè)廂門總面積為48.79m2，根據(jù)五金手冊中對于鋼板理論重量標(biāo)準(zhǔn)，可得出厚度為1.5mm的鋼板單位質(zhì)量為11.78（kg/m2），故可得單側(cè)廂門的重量為574.7kg。

計(jì)算槽鋼重量：槽鋼橫向共有5×7=35m長，縱向槽鋼共有3×（0.975+2.51）=10.455m長，共計(jì)45.455m長槽鋼，根據(jù)小五金手冊方鋼的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可得，采取方鋼長度為30mm的邊長，方鋼長度為45.455m，理論重量為7.065（kg/m），得出單側(cè)廂門槽鋼重量為321.14kg。

單側(cè)廂門總質(zhì)量為：321.14kg+574.7kg=895.84kg。

液壓驅(qū)動分析：將液壓裝置放置在合適位置（距離轉(zhuǎn)點(diǎn)大約1/3 R1處），計(jì)算得到液壓行程為900mm。

當(dāng)整個飛翼重心在最外端時，此時出現(xiàn)液壓裝置推力峰值為2.6MPa。遠(yuǎn)小于所選擇16MPa的液壓裝置，因此不會發(fā)生爆缸。

定理3：通過對末端飛翼同步系統(tǒng)的研究分析，可知該系統(tǒng)完全滿足兩段式飛翼在實(shí)際工作過程中的要求，不會造成機(jī)械干涉。此外在同步鏈條上加有遮雨罩，增加其防雨防水性能，提高可靠性。在兩段式飛翼連接處采用斜面防雨結(jié)構(gòu)，也大大提高了同步鏈輪系統(tǒng)的可靠性。如圖7所示。

圖7　同步鏈輪系統(tǒng)可靠性分析

斜面防雨結(jié)構(gòu)（防止兩段式飛翼連接處進(jìn)入雨水）

5　結(jié)論

通過分析飛翼車在實(shí)際作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題，利用3D仿真技術(shù)建立托盤防滑限位模型，兩段式飛翼模型，并運(yùn)用機(jī)械原理、有限元應(yīng)力分析技術(shù)對3D建模設(shè)計(jì)進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，上述設(shè)計(jì)可以解決飛翼車實(shí)際作業(yè)過程出現(xiàn)的托盤滑動、車門開閉傷人等問題，通過建模優(yōu)化，不改變原有飛翼車的性能，進(jìn)一步提高飛翼車作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。

［1］張榮生.翼開啟式廂式車頂篷布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝［J］.專用汽車，2009，（8）:53-54.

［2］林武.翼開式廂式車機(jī)構(gòu)分析及靜態(tài)有限元分析［J］.專用汽車，2009，（9）:51-52.

［3］張紅松，陳曉鴿.Autodesk inventor 2015中文版從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2014.

［4］董宏國，張國斌.圖解貨車結(jié)構(gòu)與維修［M］.北京:化學(xué)出版社，2013.

［5］朱琳，康凱杰.淺析東風(fēng)日產(chǎn)“調(diào)達(dá)物流”運(yùn)輸車輛的選擇［J］.經(jīng)營管理者，2010，（4）.

Structural Design of a New Wing-opening Vans Used in Logistics Activities Based on 3D Simulation Technology

Tao Jingtian，Yang Junjian，Wei Feifei，Peng Qiyuan
（School of Transportation&Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China）

In this paper，in order to deal with the problem of pallet skidding and the hazard of the opening or lowering wings to the safety of the people present commonly associated with the traditional wing-opening vans，we designed a new pallet-limiting and anti-skid mechanism and the opening-wing system with shorter working parameters and then，through 3D simulation，tested the structure of the new van body so as to maximally ensure the integrity and operational safety of the wing-opening vans.

logistics activity；wing-opening van；3D simulation；mechanical principle；finite element stress analysis

TP391.92；F253.9

A

1005-152X（2016）04-0050-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.04.014

2015-12-26

教育部大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目資助（201510613100）

陶靖天（1993-），男，西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院學(xué)生，研究方向：物流與供應(yīng)鏈管理；楊軍健（1992-），男，西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院學(xué)生，研究方向：物流與供應(yīng)鏈管理；衛(wèi)飛飛（1979-），男，助理研究員，研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理；彭其淵（1962-），通訊作者，男，西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院教授，博士，研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理、物流等。