流动快递服务点多功能货架的创新设计

张浩 陶晔 杨鹏 谢飞

摘 要：为减轻快递员劳动强度，实现安全绿色分发货物的目的，针对高校校园外流动服务点，设计一种多功能货架，其特点为可折叠便于携带，快速搭建，同时可根据实地情况选择货架形态。通过理论计算、仿真有限元分析对结构强度进行计算和校核，保证了结构的安全可靠。

关键词：结构设计；多功能货架；快递；有限元分析

目前校园快递主要可分为两种服务模式，一是在校园里有固定的服务点，负责接收并暂时保管快递包裹，等待收件人来自取。这种模式为校园快递的发展趋势，但是还有许多快递公司不能够在校园内设立固定的服务点，如校内管理严格，快递车辆不能驶进校园；或者快递公司对该校园区域工作划分不明确，服务点设在校园外小区内等。

第二种就是校园外流动服务点。快递包裹不能够进入校园，只能通过快递员在固定的时间送达校园门口，再由收件人自己去取货物。这种情况下，临时的快递点就显得杂乱无章，货物随意堆积在地上，收件人艰难在一堆包裹中寻找自己的货物，常常出现包裹弄脏、包装破裂、拿錯、丢失等情况。

1 多功能货架结构设计及计算

1.1 多功能货架结构设计

针对高校校园内无快递代理服务站的情况下，设计了一种便于快递员在运输中携带，又可在流动服务点快速搭建的货架，同时还能够在校门口流动服务点根据快递包裹大小、实地情况等灵活多变，帮助快递员在搬运和分发货物时轻松便捷，安全省力。

1--固定支架；2--3节伸缩方管；3--移动短支架；4--移动长支架；5--连接固定片。

如图1所示，货架分为两层，每层由4根平行排列的3节伸缩方管来承担货物，两层伸缩方管可以根据实地情况、货物情况等独立的选择伸缩长度，可在多种情况下满足搭建货架的要求。每根伸缩方管两端焊接有铰接子座，与对应支架上的铰接母座相连接在一起，可以实现支架与伸缩方管相对翻转，从而使得货架整体翻成折叠一平面，便于运输途中跟随快递车携带。

如图2所示，3节伸缩方管为3节长方管嵌套而成，结构两端各焊接一个铰接子座。每一节长方管一端设计为外开口阶梯挡肩，另一端为内开口阶梯挡肩，使得3节伸缩杆在最长状态下有限位，不会相互脱离。图3、4、5为多功能货架不同的工作模式，图6为多功能货架的折叠状态。

1.2 多功能货架结构强度计算

多功能货架在负载时，由每层的伸缩方管承担，所以对货架进行结构强度计算，就只要对伸缩方管进行抗弯强度计算，3节相互嵌套伸缩方管的尺寸分别设计为50*32*2、32*25*2、25*15*2，每节方管的长度都为500mm，选取截面尺寸最小的一节方管进行抗弯强度计算。

由公式可得：

根据查机械手册可得，25*15*2的长方管的抗弯截面模数WX=0.854，材料为304不锈钢的屈服极限为205Mpa。

由理论计算可得，每根伸缩方管的极限负载为350N。

2 基于Solidworks Simulation模块的有限元分析

2.1 Simulation有限元模块线性静力分析基础

线性静力机构分析是有限元仿真最常研究的一个领域，它通常是分析和研究机构在承受稳定外部载荷的情况下所产生的响应，这种响应一般表现在机构或系统产生的位移、应变、应力等方面[1]。

根据经典力学理论，可以列出机械机构的动力学一般方程：

其中，[M]—质量矩阵；[C]—阻尼矩阵；[K]—刚度矩阵；{x}—位移矢量；{F（t）}—力矢量。若忽略时间t相关的项，可以得到：。

2.2 多功能货架结构的强度分析

有限元模型的建立和分析过程主要包括前处理、求解和后处理3部分[2]。

（1）简化三维模型，去掉圆角、倒角等，可以使在分析的过程中提高计算效率。直接将Solid Works中已经建好的三维装配体导入有限元模块Simulation中进行分析。

（2）定义材料。多功能货架的材料为304不锈钢，主要机械性能如表1。

（3）定义边界条件

对多功能货架最大负载时进行静态分析，即每层伸缩方管为最长状态，其两端与支架定义为铰接，定义各支架下端面为固定面。

添加外部载荷。根据设计要求，每根伸缩方管可承受最大负载为350N，方向垂直于伸缩方管上端面，载荷加载情况和约束情况如图7所示。

（4）划分网格。对装配体进行网格划分，生成4个雅可比点，23766个节点和11399个网格单元，如图8所示

（5）运行分析，得出结果。

2.3 伸缩臂受最大推力的仿真计算和结果分析

多功能货架在负载最大的情况下，即是两层伸缩方管都达最长状态下，受到最大负载F=350N时，研究分析多功能货架的应力分布情况和变形情况。仿真结果如图9和10所示。

通过图9结果可以看出：多功能货架在最大负载时，整体结构所受应力较为均匀，最大应力为186.6Mpa，产生在3节伸缩方管最细一节处。从表1中可知，304不锈钢材料的屈服强度σs为205Mpa。多功能货架在最大负载时产生的应力远远小于其材料屈服强度，因此多功能货架的结构受力情况满足设计要求。

通过图10可以看出：多功能货架在最大负载时，产生最大变形位移为9.4mm，位于3节伸缩方管第2节中间位置。相对于伸缩方管的最长工作位置臂，此变形量较小，并不产生影响，可以保证多功能货架结构的安全可靠性能。

3 小结

通过对目前高校校园快递的情况进行分析调研，针对高校校园外的临时代理服务点的特征，设计了一种多功能货架，其特点是可折叠成一平面，方便运输时携带，而且能快速搭建，并可以根据实地情况，选择多功能货架形态。一定程度上减轻了快递员的劳动强度，达到快速便捷，安全绿色的分发货物的目的。

通过理论计算和仿真有限元分析对多功能货架结构强度进行计算和校核，计算出了此设计结构的最大许用载荷。

参考文献

[1]陈超祥，叶修梓.Solid Works2010基础教程与实例详解[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]于亚婷，杜平安，王振伟.有限元法-原理、建模及应用[M].北京：国防工业出版社，2004.