：钢铁企业的钢卷需采用立式包装并放置在托盘上，在其储存、吊运过程中都需由托盘来承载，因此托盘材料选择和结构设计至关重要。本文首先建立了结构优化后的松木以及复合板托盘的三维模型，并进行强度以及挠度仿真分析，与其理论值作对比，然后对其力学性能、成本做综合评估，得到了制定托盘材料和结构的优化方案，验证了优化方案的正确性。根据结果得出：优化后的复合板托盘完全能满足强度以及挠度的要求，安全系数大于1，托盘重量相比于原托盘下降了23.6%，成本下降了60.8%。该研究对物流行业降本增效、绿色节能有重要借鉴意义。

　　托盘是由纵梁和横梁连接而成的一种简易装置，在钢卷的仓储、堆存、吊运和运输等环节中扮演着很重要的角色；其基本功能是运输和保护钢卷，避免受损，同时实现钢卷运输的机械化、自动化和智能化，从而明显提高装卸效率。托盘因其环保、便携和成本低等特点，在物流运输行业备受青睐。为确保托盘的可靠性和稳定能力，进行可靠能力检验测试以及仿线]。

　　在相关研究中，王艳菊等[2]人专注于木托盘的检测的新方法研究，以寻求更适应竹质木托盘的性能测量手段。李杨等[3]人对双面铺板木托盘进行了力学分析、强度和刚度校核，并提出了关于木托盘制作流程和制造质量的研究问题。高雪等[4]人探究了普通胶合板木托盘和竹木复合材料木托盘的力学性能。Tsiogas[5]等人通过Ansys分析得出托盘的疲劳寿命以及应力应变的影响因素。在钢铁企业的成品出货环节，托盘在储存、吊运时对于强度、刚度要求比较高。因此，设计一种具备高强度、优良安全性、合理结构、轻质化和可控成本的包装托盘对实践具备极其重大意义。

　　某钢铁企业钢卷原托盘为钢木混合单面使用双向进叉型托盘，分为上、下两层。上层纵梁为松木板，下层横梁为方形钢管。这种托盘虽然整体强度和刚度满足规定的要求，但自身重量大、成本高，且生产制作工序复杂[6-9]。

　　结合生产现场实际使用情况及成本控制方面的需求，考虑到托盘在运送过程中不回收的问题，对材料和结构可以进行优化以提升性能。

　　（1）材料优化。由原来的钢木材料变成复合板或松木材料，以降低托盘自重和控制成本。

　　（2）结构优化。如图2所示，优化后的木托盘依旧只能单面使用，但是变成四向进叉型托盘，可以同时满足叉车从四个方向叉入，以及钢材吊运的起吊需求；同时通过结构优化提升其承载能力。

　　从式中可知，梁的抗弯刚度除受自身材料的影响外，与截面积和梁的高度也有关。但是，高宽比增加后，截面稳定性迅速下降。因此，参考木结构设计国家标准《木结构通用规范》[11-13]，木托盘截面梁高宽比选取范围为：

　　钢卷大多数重量为4～5吨左右，以承重5吨钢卷的托盘为例，托盘结构见图2，采用双层结构，其组成部分包括：纵梁（上层）、横梁（下层）。文中的分析对象为单面使用四向进叉托盘，尺寸依据上述规定，纵梁板的长宽高（L×b×h）为1100mm×200mm×30mm，横梁的长宽高（L×b×h）为1100mm×90mm×70mm。

　　钢卷在储存过程中，托盘主要受力为静载，纵横木的十字交叉处的受力变形情况尤为突出。在装卸作业过程中多采用钢绳行车吊运。因钢绳与托盘接触受力面小，托盘有可能会出现大挠度变形问题，发生断裂破损。因此，需从钢卷储存和吊运装卸两种工况，对托盘的承载能力分别进行分析。

　　横梁位于托盘的底层，不直接与钢板材接触，其最大的作用是增加托盘的结构稳定性和便于起吊。纵梁与横梁接触且上表面接触面积大于其与横梁的接触面积，因此只需对纵梁表明上进行受力分析，纵梁主要受钢卷均布载荷和下面横梁的支撑力。可以简化为静不定问题[14]，将中间支座去掉，以简支梁作为静定基。取纵梁做受力分析图、剪力图、弯矩图，如图3（a）、（b）、（c）所示。

　　钢卷在进行吊运时，由于只有钢丝绳在底部横梁做固定，在起吊时，由于中间的纵梁与钢卷相联结，刚度足够大，所以主要考虑横梁受力情况，结合受力情况可以视作为两侧支撑的情景，将其等效简化为简支梁模型。取横梁做受力分析，受力图、剪力图、弯矩图分别如图4（a）、（b）、（c）所示。

　　由图4可得，横梁等效为中间受集中力的简支梁，危险截面在横梁中间段，其最大弯矩：

　　依据上述计算，可得出松木托盘以及复合板托盘理论最大应力以及最大挠度值，结果如表1所示。

　　首先将在SolidWorks中建立的托盘保存为.x_t文件，导入ANSYS Workbench中，为提高分析结果的准确性，选材料的力学参数应尽可能地与实际材料相符。托盘采用松木及复合板，在ANSYS Workbench中分别对相应部件进行材料属性的定义，选择松木及复合板材料，按表2中参数修改材料属性，并赋给托盘。

　　然后进行网格划分，如图5所示。根据储存以及吊运时不同的情况，完成边界条件设定以及施加载荷完成分析。

　　储存时，钢卷放置于托盘上，底部与地面固定，因此在其底部添加固定约束，主要受力为钢卷施加的力，故在纵梁上表面施加载荷，通过上述边界约束及载荷设定后，如图6所示，进行仿真获得等效应力、位移云图。

　　在实际装载中，由吊车使用钢绳进行吊运，纵梁与钢卷接触，而吊绳与托盘横梁接触，在接触面向上施加力。通过上述边界约束条件及载荷的设定后，经仿真得到等效应力、位移云图，如图7所示。

　　当托盘所受工况为额定载荷5000kg时，且均匀分布在托盘上；根据托盘在钢材堆放及吊运过程中的工作所承受的压力，结合以上的仿真分析，可得纵梁及横梁的最大应力和最大挠度，如表3所示。

　　在上述两轮仿真中，对复合板、松木托盘进行应力分析。储存时，它的最大应力处于纵梁上，复合板应力大小为19.44MPa，松木的应力大小为18.90Mpa。吊运时，它的最大应力处于横梁上，应力大小为31.57Mpa和29.37Mpa，小于复合板以及松木的抗弯强度。除了应力分布，对托盘的最大变形也进行了分析。结果显示，复合板托盘储存时最大变形发生在顶铺板的中部位置，横梁的最大挠度为5.93mm，吊运时最大变形量在复合板底部，最大挠度为17.14mm。如表4所示，与理论分析结果相比，有限元分析结果与最大应力和最大挠度较为接近，即托盘的结构在储存以及吊运时具备足够的强度和刚度。

　　在仿真分析中，托盘性能以及功能未破损，满足国标中的性能要求。与有限元分析结果相比，仿线]，说明本文所得到的仿真结果具有一定的可靠性。

　　由于托盘在吊运时受力更大，对复合板以及松木托盘进行安全系数分析，安全系数是考虑计算载荷及应力准确性等因素下，极限应力与许用应力之比，其值不小于1。在Workbench中调用Fatigue Tool模块分析，如图8、图9所示，吊运时复合板或松木托盘得到的最小安全系数大于1，根据结果得出该托盘具备了足够的安全性，能够很好的满足实际使用的要求。

　　在实际生产时，由于托盘随板材运输，为了节约世界资源及减少相关成本，对选材进行替换，达到减少相关成本的要求，所需要的材料如表5所示。

　　优化前钢木混合托盘重量为4.49kg/件，优化后复合板托盘重量为3.98 kg/件，松木托盘重量为3.44kg/件，重量分别下降了28.5%、23.6%，成本由108.88元/件降至50.06元/件和42.13元/件，成本分别下降了51.4%和60.8%。通过对托盘进行仿真，以及成本对比分析可得，由于本公司的托盘是一次性的产品，考虑，复合板托盘完全满足储存、吊运要求，且材料成本更低。本次优化改进具备极其重大实践意义，可以明显降低钢铁企业钢卷包装材料费用、降低运输能耗的目的。优化前后托盘如图10所示，优化后的托盘现场应用如图11所示。

　　本研究以钢卷托盘为对象，针对原钢木混合托盘、松木托盘以及复合板托盘，对其在储存和吊运过程中的受力情况做了分析。通过材料和结构的优化，并采用理论分析和有限元分析相结合的方法，得出复合板托盘顶铺板和中间纵梁板的最大应力和最大挠度在允许范围以内，同时对于托盘进行疲劳安全系数以及效益分析。得出托盘的安全系数大于1，重量下降了23.6%，而成本也从108.88元/件降至42.13元/件，降低了60.8%。这种优化后的复合板托盘对物流行业具备极其重大的借鉴意义，可以有明显效果地节约成本并实现绿色节能。

　　[2]王艳菊,陆佳平.基于ANSYS的木托盘弯曲承载特性分析及试验验证[J].包装工程,2012,

　　[3]李杨,李光.基于SolidWorks的木托盘结构有限元分析及优化设计[J].包装工程,2011,

　　[11]丁毅,苏杰,陈立民.基于ANSYS Workbench的轻质木托盘承载性能分析[J].包装与食品机械,

　　[12]洪洋,叶昊,朱磊.基于ABAQUS的塑料木托盘载重分析及改进[J].流体测量与控制,2022,

　　[13]易锦. 落叶松胶合木梁疲劳性能分析与试验研究[D].中南林业科技大学,2021.

　　[15]封士伟,钟志祥,崔浩等.木托盘的回收策略与回收平台建设[J].物流技术与应用,2018,