□ 杜 恒

(南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

1 引言

近年來(lái)，在物流業(yè)和道路運(yùn)輸業(yè)的大力刺激下，運(yùn)輸包裝業(yè)也得到了迅速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因包裝不善造成的經(jīng)濟(jì)損失在百億元以上，其中80%出現(xiàn)在運(yùn)輸包裝上[1]。在實(shí)際的流通環(huán)境中，路面引起的隨機(jī)振動(dòng)無(wú)疑是造成貨物運(yùn)輸包裝破損的主要因素之一。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)運(yùn)輸包裝隨機(jī)振動(dòng)的虛擬試驗(yàn)研究主要是利用matlab對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真，但在研究過(guò)程中，大多都忽視了包裝件在運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)響應(yīng)[2-5]。鑒于此，本文一方面簡(jiǎn)化了matlab復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模和運(yùn)算過(guò)程，另一方面考慮了包裝件的運(yùn)輸過(guò)程，使用adams/car和matlab/simulink建立了車(chē)-路-包裝件模型，并通過(guò)兩款軟件的聯(lián)合仿真，成功地模擬了包裝件在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)。

2 運(yùn)輸包裝系統(tǒng)建模

2.1 車(chē)-路-包裝件模型

由于運(yùn)輸包裝系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)[5]，因此，本文在建模之前對(duì)模型做了如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：①除了輪胎、阻尼元件、彈性元件及橡膠元件以外，汽車(chē)的其余部分均為剛體，在仿真過(guò)程中不考慮形變特性[6]；②汽車(chē)處于滿載狀態(tài)，且裝載的包裝件均被視為剛體；③產(chǎn)品包裝件被捆綁繩牢固地固定于車(chē)上，因此將其與后車(chē)廂視為一個(gè)整體考慮。

基于以上假設(shè)，論文使用adams/car建立車(chē)-路-包裝件模型。其中，車(chē)輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)均來(lái)自某國(guó)產(chǎn)型號(hào)的貨車(chē)，具體的模型如圖1所示。此外，本文參考文獻(xiàn)[7]，建立了一段路面不平度具有隨機(jī)特性的瀝青路面。

圖1 整車(chē)模型

2.2 包裝件模型

目前，國(guó)際上比較認(rèn)可的產(chǎn)品包裝件模型是單自由度模型，但對(duì)于實(shí)際產(chǎn)品的緩沖包裝系統(tǒng)來(lái)說(shuō)(尤其是機(jī)電產(chǎn)品)，它總有一個(gè)環(huán)節(jié)是最脆弱的。若將其脆弱部件確定為關(guān)鍵部件，實(shí)際的包裝件可簡(jiǎn)化為二自由度有阻尼線性系統(tǒng)[8-9]。

論文以某型號(hào)的DELL筆記本電腦為例，采用matlab/simulink對(duì)其包裝件進(jìn)行建模仿真，該模型的參數(shù)均通過(guò)試驗(yàn)和查詢(xún)資料獲得[10]。具體的包裝件物理模型、數(shù)值仿真模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 包裝件物理模型

圖3 包裝件仿真模型

3 隨機(jī)振動(dòng)仿真試驗(yàn)

貨車(chē)在道路上運(yùn)行時(shí)最常經(jīng)歷的兩種狀態(tài)是直線加速運(yùn)動(dòng)和勻速直線運(yùn)動(dòng)，論文就以這兩種情況為例開(kāi)展虛擬試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：通過(guò)adams/car對(duì)車(chē)-路-包裝件模型進(jìn)行仿真，得到貨車(chē)車(chē)廂底面的振動(dòng)加速度，再將該結(jié)果作為基于matlab/simulink建立的包裝件數(shù)值模型的輸入y(t)(如圖2)計(jì)算得到包裝件關(guān)鍵部位的輸出響應(yīng)X2(t)(如圖2)。具體如下：

①直行加速試驗(yàn)是模擬貨車(chē)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)先勻速后加速的行駛工況，該試驗(yàn)為閉環(huán)試驗(yàn)，初始速度為40km·h-1，仿真時(shí)間為7s，其中勻速行駛時(shí)間2s，加速度為8m·s-2。試驗(yàn)共分為3組，每組試驗(yàn)的道路等級(jí)互不相同，依次取為A級(jí)、C級(jí)和H級(jí)，此外，通過(guò)改變路面摩擦系數(shù)依次建立了晴天和雨天路面模型，模擬仿真運(yùn)輸包裝系統(tǒng)在不同天氣狀況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[11-12]。

②勻速直線運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)是模擬貨車(chē)以不同速度勻速行駛時(shí)的狀態(tài)，論文以C級(jí)路為例，分別選取40km·h-1、50km·h-1、60km·h-1和70km·h-1四種車(chē)速并重復(fù)試驗(yàn)四次，每次試驗(yàn)仿真時(shí)間均為5s。

4 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 直行加速試驗(yàn)結(jié)果分析

依托所建模型，通過(guò)改變道路等級(jí)和路面摩擦系數(shù)，仿真得到如圖4和表1所示的結(jié)果。分析試驗(yàn)結(jié)果可知：①每個(gè)試驗(yàn)所得出的包裝件關(guān)鍵部位響應(yīng)最大值均遠(yuǎn)小于產(chǎn)品脆值[13]，因此該包裝件在運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)發(fā)生破損；②天氣狀況對(duì)包裝件的振動(dòng)響應(yīng)有著一定的影響，具體表現(xiàn)為：包裝件在雨天時(shí)的振動(dòng)加速度最大值和均方根值均要高于晴天。

由此可知，運(yùn)輸包裝件的隨機(jī)振動(dòng)在雨天表現(xiàn)得更加明顯，其原因是：當(dāng)貨車(chē)在濕滑路面上行駛時(shí)，摩擦力減小，穩(wěn)定性變差，從而導(dǎo)致汽車(chē)在垂直方向上的振動(dòng)加速度變大。因此，當(dāng)貨車(chē)在濕滑路面上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，需注意行駛狀態(tài)以減小對(duì)產(chǎn)品包裝件的損害。

圖4 不同天氣與不同路面條件下的包裝件關(guān)鍵部位振動(dòng)加速度

4.2 勻速直線行駛試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)改變車(chē)速得到了包裝件關(guān)鍵部位在不同速度下的振動(dòng)加速度響應(yīng)，見(jiàn)表2和圖5。分析試驗(yàn)結(jié)果可知：①每組試驗(yàn)的最大加速度值均小于產(chǎn)品脆值，因此產(chǎn)品不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)沖擊而破損；②車(chē)速對(duì)包裝件關(guān)鍵部位的振動(dòng)響應(yīng)有著顯著影響。一般說(shuō)來(lái)，車(chē)速越大，包裝件關(guān)鍵部位的振動(dòng)響應(yīng)也越大。因此，載貨車(chē)輛在運(yùn)輸過(guò)程中，需要控制好車(chē)速范圍，以減小對(duì)產(chǎn)品的危害。

圖5 車(chē)速與包裝件關(guān)鍵部位振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)系

表2 不同車(chē)速下的包裝件關(guān)鍵部位振動(dòng)響應(yīng)

5 結(jié)論

論文先后利用了adams/car和matlab/simulink建立了車(chē)-路-包裝件模型與包裝件數(shù)學(xué)模型，通過(guò)聯(lián)合仿真得出了運(yùn)輸包裝系統(tǒng)在直線行駛工況下的隨機(jī)振動(dòng)加速度響應(yīng)。通過(guò)對(duì)直行加速和勻速直線行駛兩種仿真試驗(yàn)結(jié)果的分析可知：路面摩擦系數(shù)和行駛速度是影響貨物振動(dòng)的兩個(gè)因素。一般說(shuō)來(lái)，路面變濕滑，車(chē)速變大，包裝件關(guān)鍵部位的振動(dòng)會(huì)增強(qiáng)。

由于論文只對(duì)運(yùn)輸包裝系統(tǒng)直線行駛工況進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，而忽略了系統(tǒng)的其他運(yùn)行狀態(tài)，如彎道行駛，變換車(chē)道等。因此，論文結(jié)論并不足以全面評(píng)價(jià)商品在流通中的振動(dòng)情況，我們將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討運(yùn)輸包裝在其他復(fù)雜行駛工況下的隨機(jī)振動(dòng)特征。