可内嵌RFID模块模压托盘的结构设计

周振兴，刘豪进，赵炎康

(中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004)

电子信息技术的快速发展促进了智慧物流的诞生，其中RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别技术的成熟，进一步促进智慧物流的发展，使得如今物流的效率得到有效提升。托盘是一种用来集装、堆放、装卸和运输货物的单元集装物，作为货物和产品的水平存放载荷，在物流的每个环节都有着广泛的使用[1]。目前市面上使用量最大的为木制托盘，但在我国乃至全世界的森林资源都日渐短缺的背景下，人们已逐渐探索其替代品[2]。模压托盘由于原料的绿色性(主要为刨花木屑、植物秸秆)，易于回收，没有整木托盘的病虫害以及相关力学性能较好等，关于模压托盘的研究逐渐成为发展的必然趋势。因此本文通过探究可内嵌RFID模块模压托盘的结构，扩展模压托盘的功能，提高模压托盘的市场竞争力，帮助广泛使用的托盘作业可以顺利使用RFID技术，完善智慧物流的数据联网，提高物流效率。

1 模压托盘原始结构分析

1.1 模压托盘的模型建立

目前市面上的模压托盘结构种类很多，本文以常见的象棋型模压托盘结构为例(以下简称模压托盘)，运用SolidWorks软件建立三维模型，其有关尺寸如表1所示[3]。

表1 模压托盘有关尺寸

三维模型如图1所示。

图1 模压托盘三维模型

1.2 模压托盘的静应力分析

不同材质的模压托盘拥有不同的力学性能，为探究所有模压托盘共同特点，保证后续研究的可内嵌RFID模块模压托盘结构具有通用性，故静应力分析中只赋予材质抗弯弹性模量2331 MPa，泊松比0.3，表面均匀承重1 t，以此探究模压托盘在包装件压力作用下变形情况，找出形变小的部位，尝试在此设计内嵌RFID模块结构。图2为通过SolidWorks的Simulation插件，采取默认设置网格化后得到的模压托盘静应力分析情况。

根据图2易知：模压托盘在图示左右两侧支撑脚处形变最小，在以上参数设置下的最小应变仅有1.797×10-5，最小应力为4.104×10-3MPa，最小合位移为1×10-30mm。但是在支撑脚处不利设计内嵌RFID结构，RFID模块应尽量安放在托盘面板上，以便安装与拆卸。经过进一步观察发现，图3所示位置处编号为750网络单元的应变值为7.543×10-4，对应的应力和位移易在较小值范围内，且处于托盘面板上，四周具有较大可设计空间，初步拟定在此处进行设计内嵌RFID模块结构。

图2 模压托盘静应力分析情况

图3 模压托盘750网络单元应变情况

2 可内嵌RFID模块模压托盘结构设计

考虑到实际生产需求，需要保证该结构设计具有可拆卸性，方便RFID模块的安装与拆卸。进一步联系模压托盘的生产情况，考虑在传统模压托盘生产工艺中，直接模压出类似于加强筋性质的芯片安置盒，如图4所示为设计的可内嵌RFID模块模压托盘结构，图5为该结构的局部示意图，主要尺寸与原模压托盘一致。

当需要安置RFID模块时，通过泡沫包裹，胶布黏贴等方式初步将RFID模块固定与芯片安置盒后，盖上芯片安置盒面板，从而形成一个密闭空间用以保护RFID模块，如图6所示为RFID芯片安置盒使用细节图，本次设计采用的弹簧卡销连接，亦可根据需求采用螺栓连接。

该结构设计采用托盘面板下凹办法，使得该类托盘的生产只需细微修改模压模具即可投，同时包证了使用该结构的托盘能够方便安装与拆卸RFID模块，亦能单独作为普通模压托盘进行使用。

1-支撑脚 2-加强筋 3-RFID芯片安置盒

图5 RFID芯片安置盒局部示意图

图6 RFID芯片安置盒使用细节图

3 可内嵌RFID模块模压托盘结构分析

3.1 可内嵌RFID模块模压托盘模型建立

为便于计算机建模与仿真，初步将第3节中设计的RFID芯片安装盒主要尺寸设置为如表2所示，其余尺寸与原模压托盘尺寸一致，见表1。由此可建立三维模型如图7所示。

表2 RFID芯片安装盒主要尺寸

图7 可内嵌RFID模块模压托盘

3.2 可内嵌RFID模块模压托盘静应力分析

为保证计算机求解速度和结果的准确性，网格划分采用实体网格，雅可比点为4点，单元大小约为36.21 mm，公差约为1.81 mm，节总数为22015，单元总数为10887个，网格划分完毕后，固定支撑脚，按承载1t进行静应力分析，所得结果如图8所示。

图8 可内嵌RFID模块模压托盘静应力分析情况

对比原模压托盘相同条件下受力情况，可得表3对比数据。

表3 设计前后有关数据对比

通过对比，发现设计的内嵌RFID模块模压托盘与原模压托盘静应力下的力学性能基本一致，说明该结构不会影响模压托盘静应力下的性能指标。运用软件的探测功能，容易得到用于安装RFID模块的芯片盒内部底面受力具体情况，如表4所示。

表4 RFID芯片安装盒内部底面受力情况

假设RFID模块直接刚性连接在芯片安装盒内部底面上，在1t静载压力下所受最大应力仅为0.2961 MPa，考虑到RFID模块多采用塑壳封装，其屈服强度远大于该值，且实际使用中，多采用胶粘等柔性连接，所以利用该结构来内嵌RFID模块是比较安全的。

4 结语

综上所述，本文研究的可内嵌RFID模块模压托盘结构，在设计上简单可靠，有利与传统模压托盘生产厂商进行跟进制造，能够根据使用者要求可从普通模压托盘到内嵌RFID模块模压托盘转换，极具市场竞争力，有关力学性能方面，在静载情况下，力学性能几乎与原模压托盘性能一致，且能够保证内部RFID模块不受到破坏。