可內嵌RFID模塊模壓托盤的結構設計

周振興，劉豪進，趙炎康

(中南林業科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004)

電子信息技術的快速發展促進了智慧物流的誕生，其中RFID(Radio Frequency Identification)技術，又稱無線射頻識別技術的成熟，進一步促進智慧物流的發展，使得如今物流的效率得到有效提升。托盤是一種用來集裝、堆放、裝卸和運輸貨物的單元集裝物，作為貨物和產品的水平存放載荷，在物流的每個環節都有著廣泛的使用[1]。目前市面上使用量最大的為木制托盤，但在我國乃至全世界的森林資源都日漸短缺的背景下，人們已逐漸探索其替代品[2]。模壓托盤由于原料的綠色性(主要為刨花木屑、植物秸稈)，易于回收，沒有整木托盤的病蟲害以及相關力學性能較好等，關于模壓托盤的研究逐漸成為發展的必然趨勢。因此本文通過探究可內嵌RFID模塊模壓托盤的結構，擴展模壓托盤的功能，提高模壓托盤的市場競爭力，幫助廣泛使用的托盤作業可以順利使用RFID技術，完善智慧物流的數據聯網，提高物流效率。

1 模壓托盤原始結構分析

1.1 模壓托盤的模型建立

目前市面上的模壓托盤結構種類很多，本文以常見的象棋型模壓托盤結構為例(以下簡稱模壓托盤)，運用SolidWorks軟件建立三維模型，其有關尺寸如表1所示[3]。

表1 模壓托盤有關尺寸

三維模型如圖1所示。

圖1 模壓托盤三維模型

1.2 模壓托盤的靜應力分析

不同材質的模壓托盤擁有不同的力學性能，為探究所有模壓托盤共同特點，保證后續研究的可內嵌RFID模塊模壓托盤結構具有通用性，故靜應力分析中只賦予材質抗彎彈性模量2331 MPa，泊松比0.3，表面均勻承重1 t，以此探究模壓托盤在包裝件壓力作用下變形情況，找出形變小的部位，嘗試在此設計內嵌RFID模塊結構。圖2為通過SolidWorks的Simulation插件，采取默認設置網格化后得到的模壓托盤靜應力分析情況。

根據圖2易知：模壓托盤在圖示左右兩側支撐腳處形變最小，在以上參數設置下的最小應變僅有1.797×10-5，最小應力為4.104×10-3MPa，最小合位移為1×10-30mm。但是在支撐腳處不利設計內嵌RFID結構，RFID模塊應盡量安放在托盤面板上，以便安裝與拆卸。經過進一步觀察發現，圖3所示位置處編號為750網絡單元的應變值為7.543×10-4，對應的應力和位移易在較小值范圍內，且處于托盤面板上，四周具有較大可設計空間，初步擬定在此處進行設計內嵌RFID模塊結構。

圖2 模壓托盤靜應力分析情況

圖3 模壓托盤750網絡單元應變情況

2 可內嵌RFID模塊模壓托盤結構設計

考慮到實際生產需求，需要保證該結構設計具有可拆卸性，方便RFID模塊的安裝與拆卸。進一步聯系模壓托盤的生產情況，考慮在傳統模壓托盤生產工藝中，直接模壓出類似于加強筋性質的芯片安置盒，如圖4所示為設計的可內嵌RFID模塊模壓托盤結構，圖5為該結構的局部示意圖，主要尺寸與原模壓托盤一致。

當需要安置RFID模塊時，通過泡沫包裹，膠布黏貼等方式初步將RFID模塊固定與芯片安置盒后，蓋上芯片安置盒面板，從而形成一個密閉空間用以保護RFID模塊，如圖6所示為RFID芯片安置盒使用細節圖，本次設計采用的彈簧卡銷連接，亦可根據需求采用螺栓連接。

該結構設計采用托盤面板下凹辦法，使得該類托盤的生產只需細微修改模壓模具即可投，同時包證了使用該結構的托盤能夠方便安裝與拆卸RFID模塊，亦能單獨作為普通模壓托盤進行使用。

1-支撐腳 2-加強筋 3-RFID芯片安置盒

圖5 RFID芯片安置盒局部示意圖

圖6 RFID芯片安置盒使用細節圖

3 可內嵌RFID模塊模壓托盤結構分析

3.1 可內嵌RFID模塊模壓托盤模型建立

為便于計算機建模與仿真，初步將第3節中設計的RFID芯片安裝盒主要尺寸設置為如表2所示，其余尺寸與原模壓托盤尺寸一致，見表1。由此可建立三維模型如圖7所示。

表2 RFID芯片安裝盒主要尺寸

圖7 可內嵌RFID模塊模壓托盤

3.2 可內嵌RFID模塊模壓托盤靜應力分析

為保證計算機求解速度和結果的準確性，網格劃分采用實體網格，雅可比點為4點，單元大小約為36.21 mm，公差約為1.81 mm，節總數為22015，單元總數為10887個，網格劃分完畢后，固定支撐腳，按承載1t進行靜應力分析，所得結果如圖8所示。

圖8 可內嵌RFID模塊模壓托盤靜應力分析情況

對比原模壓托盤相同條件下受力情況，可得表3對比數據。

表3 設計前后有關數據對比

通過對比，發現設計的內嵌RFID模塊模壓托盤與原模壓托盤靜應力下的力學性能基本一致，說明該結構不會影響模壓托盤靜應力下的性能指標。運用軟件的探測功能，容易得到用于安裝RFID模塊的芯片盒內部底面受力具體情況，如表4所示。

表4 RFID芯片安裝盒內部底面受力情況

假設RFID模塊直接剛性連接在芯片安裝盒內部底面上，在1t靜載壓力下所受最大應力僅為0.2961 MPa，考慮到RFID模塊多采用塑殼封裝，其屈服強度遠大于該值，且實際使用中，多采用膠粘等柔性連接，所以利用該結構來內嵌RFID模塊是比較安全的。

4 結語

綜上所述，本文研究的可內嵌RFID模塊模壓托盤結構，在設計上簡單可靠，有利與傳統模壓托盤生產廠商進行跟進制造，能夠根據使用者要求可從普通模壓托盤到內嵌RFID模塊模壓托盤轉換，極具市場競爭力，有關力學性能方面，在靜載情況下，力學性能幾乎與原模壓托盤性能一致，且能夠保證內部RFID模塊不受到破壞。