物流作业中一种基于3D仿真技术的新型飞翼车结构设计研究

陶靖天，杨军健，卫飞飞，彭其渊

（西南交通大学　交通运输与物流学院，四川　成都　611756）

物流作业中一种基于3D仿真技术的新型飞翼车结构设计研究

陶靖天，杨军健，卫飞飞，彭其渊

（西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都611756）

为解决传统飞翼车在实际物流作业过程中出现的托盘滑动和飞翼车厢门开闭伤人等问题，从系统的角度，设计了新型飞翼车托盘限位防滑系统和短工作半径飞翼系统，通过建立3D仿真模型，运用机械原理及基于Autodesk inventor软件的有限元应力分析技术对新型车体结构进行测试，最大程度保障飞翼车运输和作业安全。

物流作业；飞翼车；3D仿真；机械原理；有限元应力分析

1　引言

飞翼车是普通厢式车的改进，是一种能通过手动装置或液压装置开启车厢两侧翼板的物流运输专用车辆，由于其具有装卸速度快、效率高、可侧面装卸等优点，已成为大型物流公司运输的最佳选择。目前国内较为常见的是一汽大众公司生产的型号为TS03的飞翼车，该车身全长10.2m，高3.9m；车厢长7m，高2.91m；该车厢两侧翼板均能打开，一般只开启左侧翼板，翼板张开最大角度为90°，叉车可从左侧装货，极大地提高了飞翼车作业的效率。目前国内外专家、学者针对飞翼车的使用前景以及外部结构研究较多，较少见从飞翼车的运输安全和作业安全角度出发，对其结构问题的研究。张荣生针对翼开启式厢式车（飞翼车）顶部的防水问题，设计了一种能够有效防止顶部漏水、经久耐用的顶篷布结构，介绍了其结构及安装方式［1］。林武采用UG软件建模，利用其内置的ADAMS和NX NASTRAN解算器进行机构分析和有限元分析［2］。本文从实际出发运用3D仿真技术针对飞翼车在运输作业安全领域出现的问题进行车厢结构优化，提升飞翼车运输作业的安全性。

2　问题描述

目前飞翼车运输作业过程中主要出现以下问题：（1）托盘在车厢内无固定设施，当遇到紧急刹车或通过颠簸不平路面时极易造成托盘相对于车体滑动，相互间发生碰撞造成货物损坏等问题；（2）飞翼车门由于臂展过长，飞翼开闭过程中易刮碰托盘和叉车；（3）经常有装卸工人由于疏忽等原因靠近飞翼车，飞翼厢门开闭过程中造成人员伤亡，过长的飞翼半径会导致空间利用效率低下。本文主要从以上三个视角出发，运用3D建模仿真技术对车体结构进行优化，包括在车厢上托盘的防滑、车厢翼板的结构方面进行改进和提高，并运用机械原理、有限元应力分析技术结合模型进行检验，保障新型车体结构的可靠性和安全性。

3　新型飞翼车托盘限位防滑系统模型

3.1三维仿真建模设计

托架可用于固定和安放限位销，沟槽则方便取出托架并对其进行维护。限位销对托盘进行机械限位，承受来自托盘的冲击力。同时，限位销底部设有回弹介质，可以使限位销回弹复位。当托盘压在限位模块时，未被压下的限位销处于突起状态，从而达到机械限位的目的，如图1所示。

图1　托盘防滑限位系统3D模型

3.2功能介绍

图2　托盘装载限位系统功能演示

3.3有限元应力分析

对主要受力部分限位模块进行有限元分析，以判断其可行性。限位销直径选用20mm。针对单个限位销和托盘进行有限元分析。

定理1：对实验力150N大小选取的说明：车体在经过颠簸不平路况时，车厢发生摇晃。据测算，晃动的加速度a约为3.86m/s2。如果将其简化为理想情况，计算得到冲击力为150N。在实际情况中受力情况十分复杂，受到的冲击力会小于150N。此外，在模拟时，将力调大至800N限位销仍然正常工作。经Autodesk inventor软件受力分析可知，直径20mm的限位销足以满足飞翼车托盘运输需要。

4　短工作半径飞翼厢门模型

4.13D仿真建模设计

车体通过CAD制图设定尺寸，并结合模型车厢尺寸和实际车辆尺寸，采用1：7的比例进行建模。车体建模示意图如图3所示，两段式飞翼示意如图4所示。

图3　车体模型

图4　两段式飞翼

对短工作半径飞翼系统中的两段式飞翼厢门和末端飞翼同步系统进行仿真设计。主转点链轮位于车厢一侧，副转点链轮位于末端飞翼处，而这都通过锁环、滚针轴承、链轮固定销对其进行固定。主转点链轮和副转点链轮通过同步链条连接，三者共同组成同步系统。此外，同步链条上方设有遮雨罩，极大地提高了该系统的可靠性，如图5所示。

图5　同步系统

4.2功能介绍

同步系统工作要点为：（1）主转点链轮固定于车厢一侧，当飞翼车门开闭时，主转点链轮相对于车体保持静止状态（不发生相对转动）；（2）副转点链轮与主转点链轮通过同步链条连接，主转点链轮与副转点链轮等径，因此以车厢为参考系，副转点链轮不发生相对转动；（3）副转点链轮固定于末端飞翼，这就使得在开闭过程中，末端飞翼在同步系统的作用下始终与车体保持竖直状态。飞翼开闭半径与末端线速度大幅减小，减少飞翼扫掠截面，增加安全性和空间利用率。

从表中可以看出，《中国日报》和《纽约时报》都用了一定数量的转述引语来增强新闻的真实性和客观性。但《纽约时报》中直接引语多于《中国日报》，而《中国日报》中间接引语则多于《纽约时报》。中国记者多采用间接引语的方式赋予自己的观点和态度。

通过等径链轮和链条，实现开闭过程中飞翼与车体保持竖直状态，从而减小工作半径、节约工作空间。本系统如图6所示。

图6　两段式飞翼和末端飞翼同步系统

4.3机械结构分析

（1）两段式飞翼结构分析

此外飞翼车完全展开后，飞翼高度为（2 550mm-600mm）/2=975mm=0.975m，而车体高为3.9m，故总共长为4.875m，厂棚高为7-8m，故不会对厂棚有任何损害。

定理2：经过平面几何计算分析可得，改进后飞翼工作半径减少大约50%，能有效节约作业空间，且不会对整个厂棚有任何损害，提高作业的安全性。在飞翼半径方面，改进后的飞翼车与原有飞翼车相比，半径大大减小。

（2）同步系统可靠性分析。飞翼车单侧厢门重量：根据型号TS03飞翼车尺寸，计算新型飞翼车单侧厢门重量。新型飞翼车不改变原有飞翼车厢门材料构成，新型飞翼车单侧厢门由两块钢板、中间槽钢组成。

计算厢门重量：车厢长为7m，高为2.51m，其中钢板厚度为1.5mm。其中初段厢门长为7m，宽为（2.55-0.6）/ 2=0.975m，宽度为1.5mm。则初段厢门面积为0.975× 7×2=13.65m2，同理可得末端厢门面积为35.14m2，故单侧厢门总面积为48.79m2，根据五金手册中对于钢板理论重量标准，可得出厚度为1.5mm的钢板单位质量为11.78（kg/m2），故可得单侧厢门的重量为574.7kg。

计算槽钢重量：槽钢横向共有5×7=35m长，纵向槽钢共有3×（0.975+2.51）=10.455m长，共计45.455m长槽钢，根据小五金手册方钢的质量标准可得，采取方钢长度为30mm的边长，方钢长度为45.455m，理论重量为7.065（kg/m），得出单侧厢门槽钢重量为321.14kg。

单侧厢门总质量为：321.14kg+574.7kg=895.84kg。

液压驱动分析：将液压装置放置在合适位置（距离转点大约1/3 R1处），计算得到液压行程为900mm。

当整个飞翼重心在最外端时，此时出现液压装置推力峰值为2.6MPa。远小于所选择16MPa的液压装置，因此不会发生爆缸。

定理3：通过对末端飞翼同步系统的研究分析，可知该系统完全满足两段式飞翼在实际工作过程中的要求，不会造成机械干涉。此外在同步链条上加有遮雨罩，增加其防雨防水性能，提高可靠性。在两段式飞翼连接处采用斜面防雨结构，也大大提高了同步链轮系统的可靠性。如图7所示。

图7　同步链轮系统可靠性分析

斜面防雨结构（防止两段式飞翼连接处进入雨水）

5　结论

通过分析飞翼车在实际作业过程中出现的问题，利用3D仿真技术建立托盘防滑限位模型，两段式飞翼模型，并运用机械原理、有限元应力分析技术对3D建模设计进行了检验和分析，上述设计可以解决飞翼车实际作业过程出现的托盘滑动、车门开闭伤人等问题，通过建模优化，不改变原有飞翼车的性能，进一步提高飞翼车作业的稳定性和安全性。

［1］张荣生.翼开启式厢式车顶篷布结构设计与安装［J］.专用汽车，2009，（8）:53-54.

［2］林武.翼开式厢式车机构分析及静态有限元分析［J］.专用汽车，2009，（9）:51-52.

［3］张红松，陈晓鸽.Autodesk inventor 2015中文版从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，2014.

［4］董宏国，张国斌.图解货车结构与维修［M］.北京:化学出版社，2013.

［5］朱琳，康凯杰.浅析东风日产“调达物流”运输车辆的选择［J］.经营管理者，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

教育部大学生创新创业训练项目资助（201510613100）

陶靖天（1993-），男，西南交通大学交通运输与物流学院学生，研究方向：物流与供应链管理；杨军健（1992-），男，西南交通大学交通运输与物流学院学生，研究方向：物流与供应链管理；卫飞飞（1979-），男，助理研究员，研究方向：交通运输规划与管理；彭其渊（1962-），通讯作者，男，西南交通大学交通运输与物流学院教授，博士，研究方向：交通运输规划与管理、物流等。