科赫分形结构托盘力学性能研究
在运输包装行业中，塑料托盘具有可靠耐用、适用于多种工况以及尺寸标准化程度高等优点。目前塑料托盘逐渐取代木托盘，但对塑料托盘力学性能的影响因素的研究和优化设计较少。探索力学性能更加优良、成本更低的托盘垫块对塑料托盘的发展具有更现实的意义。 本文利用有限元方法探究影响科赫分形结构力学性能的因素与在托盘垫块中的应用。方法基于科赫分形理论，参考托盘的国标尺寸，建立科赫分形结构模型。采用尼龙12材料通过3D打印技术，制备垫块样品。首先在拉伸和准静态压缩实验基础上，建立尼龙12材质的塑料垫块的有限元模型并进行准静态压缩实验验证。结果显示，有限元模型与实验误差为3.6%。在此基础之上分析了分形阶数、垫块高度、分形壁厚对垫块的能量吸收性能的影响。接着运用ANSYSWorkbench的多目标优化模块对垫块的高度、分形壁厚进行敏感度分析、响应面分析和响应面优化。结果表明二阶科赫分型结构的总能量吸收相比一阶提高20.6%，分形阶数和垫块高度对总形变和应力影响较大，可适当减小分形壁厚，增加高度达到保证强度，减轻垫块质量目的。以总形变、应力、应变等为优化目标，在分形阶数为2、分形壁厚0.21cm、垫块高度11cm时，应力降低了79.0%，总能量降低82.6%，质量降低3.5%，实现了增强垫块的力学性能，降低垫块质量的目标。将优化后的垫块与常见的田字型垫块对比，单位质量能量吸收（SEA）提高了35.3%，质量降低了2.2%。 最后将优化后的垫块代入九脚平面托盘模型之中，仿真分析了托盘在静载、动载、跌落等工况下的力学性能。结果表明静载状态下使用了分形垫块的托盘的力学性能提高了13%，且在静载、动载、跌落等工况下托盘的形变均符合国标的要求。由此完成了垫块轻量化设计的目标，结果可为塑料托盘的轻量化设计提供了新的思路。
托盘垫块;科赫分形结构;力学性能;轻量化设计
天津科技大学
硕士
轻工技术与工程
宋海燕
2022
中文
TB486
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）