木托盘RFID标签安装方式有限元分析及试验研究

唐英，毛讯辉，孙汝

木托盘RFID标签安装方式有限元分析及试验研究

唐英*，毛讯辉，孙汝

（北京科技大学 机械工程学院，北京 100083）

采用仿真和试验手段并用的方法，研究RFID标签在木质平托盘上的适用安装方式及其对使用性能的影响。进行Ansys有限元仿真，分析木质平托盘承载和冲击试验中采用螺钉紧固及黏结剂粘贴方式安装的RFID标签所受应力。作为对比，在实验室进行实物试验，测量RFID标签表面应力，并测试标签读写性能。在托盘承载和冲击试验中，从RFID标签各构件及标签连接件的受力分析看，2种安装方式下的RFID标签均未出现脱落和物理性损坏。冲击试验后的RFID标签能够通过读写功能测试。有限元仿真与实物试验的应力分析结果相互吻合，验证了结果的正确性。RFID标签采用螺钉紧固和黏结剂粘贴的安装方式都能满足使用要求，且螺钉连接的耐用性更好。研究结果为RFID标签在木质平托盘的安装方式选择提供了理论依据。

RFID标签；木托盘；安装；应力分析；RFID读写试验

我国正处于传统物流转型升级到智慧物流的关键时期[1]。托盘作为全面连接物流资源的基础设备，托盘的智能化发展是推动智慧物流的重要支撑[2]。结合RFID应用的智能托盘实现托盘数据、物流数据和货物数据关联，是物流可视化的基础[3]。

围绕RFID智能托盘研发的研究很多。郭凯等[4]研究提高托盘RFID芯片读写成功率的方法。许明等[5]研究基于RFID标签的托盘序列化和数字化管理。Zhong等[6]研究RFID托盘的仓储管理。Specter等[7]研究采用有源RFID对托盘进行实时监控、跟踪和追溯。迄今研究多集中在RFID托盘结构、识别率或管理应用等方面。未有涉及托盘上RFID标签安装问题。

市场上的智能托盘产品多采用粘贴、紧固和嵌入等方式安装RFID标签。塑料托盘常预留安装孔嵌入标签。木托盘多用紧固件紧固或黏结剂粘贴的方式安装标签。安装方式选择多凭经验或互相借鉴，缺少理论依据。为此，本文并用仿真和实验手段，通过RFID标签受力分析和读写性能测试，研究标签安装方式的适用性。考虑到我国木托盘应用占比超过80%具有绝对优势，本研究以木质平托盘的RFID标签安装为对象进行。

1 托盘使用工况分析

RFID标签安装性能受托盘使用工况影响。GB/T 4996—2014《联运通用平托盘试验方法》按托盘承载搬运作业，将托盘正常使用工况分为上架、叉车等搬运叉举、垫块或纵梁承压、堆码以及上双轨输送机上使用，见图1。图中为挠度，为施加载荷。考虑到托盘在使用过程中不可避免会受到各种冲击，按照托盘受冲击部位分为角跌落冲击、侧向水平冲击和货叉叉尖冲击，见图2。

1.加载板；2.加载杠；3.支座；4.加载头；5.托盘。

1.负载；2.台车；3.冲击台及挡板；4.撞击条；5.冲击挡块；6.托盘。

2 有限元模型建立

2.1 托盘模型建立

依据GB/T 31148—2022《木质平托盘通用技术要求》的规定，木质平托盘各构件参数及数量如表1所示。托盘总体尺寸为1 200 mm×1 000 mm×156 mm。木质构件材料选择花旗松。花旗松[8]的性能参数：密度为590 kg/m3，弹性模量E=16 400 MPa、E=900 MPa、E=1 300 MPa，泊松比σ=0.37、σ=0.63、σ=0.42，剪切弹性模量G=1 180 MPa、G=79 MPa、G=910 MPa。使用Solidworks软件对托盘进行3D建模，见图3。为简化模型，删除了托盘钉，各木质构件间接触为绑定[9]。有限元仿真分析时采用默认尺寸对托盘进行自由网格划分，共划分38 062个节点，11 587个单元。

表1 托盘构件参数

Tab.1 Parameters of wooden pallet components

图3 托盘3D模型

2.2 RFID标签模型建立

智能托盘常用的超高频RFID标签中，PCB标签因具有更好的抗氧化、耐高温及抗冲击性能并且生产成本较低而被使用广泛。如图4所示，PCB抗金属标签一般采用多层FR4材料通过热层压的方式一次压铸成型，天线通过铝箔或铜箔蚀刻制成，芯片焊接在天线上并用环氧树脂灌封保护[10]。

建立RFID标签3D模型见图5，尺寸为70 mm× 20 mm×4 mm。FR4封装材料简化为两层结构，尺寸为70 mm×20 mm×2 mm，材料密度为1 800 kg/m3，弹性模量为11.1 GPa，泊松比为0.28，屈服强度为340 MPa[11]。天线简化成空心方框，与其余各部分间接触设置为绑定。天线外圈尺寸为40 mm×15 mm×1 mm，内圈尺寸为30 mm×5 mm×1 mm。材料选择铝箔，密度为2 700 kg/m3，弹性模量为70 GPa，泊松比为0.33，屈服强度为40 MPa，极限强度为90 MPa。RFID芯片封装材料环氧树脂，尺寸为2.5 mm×2.5 mm×1 mm，材料密度为1 600 kg/m3，弹性模量为1 GPa，泊松比为0.38，屈服强度为70 MPa[12]。

图4 RFID标签截面结构剖视图

图5 RFID 标签3D模型

标签两端预留螺钉安装孔，根据需要用螺钉或黏结剂安装。有限元分析模型中，采用六面体为主、四面体为辅的网格划分方法。网格尺寸选取时，通过不断加密网格，当加密后的模型最大应力和加密前相差小于5%，则选用此网格尺寸。最终确定RFID标签封装材料的网格尺寸为1 mm，天线的网格尺寸为0.25 mm，芯片的网格尺寸为0.25 mm。

2.3 RFID标签安装及模型建立

智能托盘产品上RFID标签多安装在托盘垫块立面上，且安装部位多有开槽结构保护RFID标签。为减小模型复杂度并提高计算效率，图3建模时进行简化，去除垫块表面RFID安装槽。

采用螺钉安装RFID标签（见图6a）时，螺钉简化为光滑平头圆柱。螺钉规格为M 3×10。螺钉的光滑平头圆柱与托盘木质构件以及RFID标签接触设置为摩擦，通过设置摩擦因数产生的摩擦力模拟握钉力。其静摩擦因数为0.53，动摩擦因数为0.2[8]；螺钉与标签接触为摩擦，其静摩擦因数为0.6，动摩擦因数为0.4[13]；标签与托盘木质构件接触为摩擦，其静摩擦因数为0.68，动摩擦因数为0.45[13]。螺钉材料为钢材，密度为7 850 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，极限强度标准值为375 MPa。通过不断加密网格，确定螺钉网格尺寸为1 mm。

图6 RFID标签安装建模

采用黏结剂安装RFID标签（见图6b）时，黏结剂与标签、黏结剂与托盘木质构件接触均为绑定。黏结剂选择热熔胶，其材料与RFID芯片封装材料相同。依据GB/T 4996—2014的规定，托盘试验在环境温度（23±2）℃范围内进行。此时黏结剂黏结强度主要以剪切强度、拉伸强度和剥离强度为主。三者与被粘物厚度成正比，根据其关系曲线[14-15]与标签厚度得到剪切、拉伸和剥离强度分别为24.25、37.63和72.93 MPa。本文取其中最小值剪切强度作为判断黏结剂失效的黏结强度为24.25 MPa。仿真结果中黏结剂所受最大剪切应力与该黏结强度值进行比较，判断标签是否脱落。黏结剂整体尺寸为70 mm×20 mm×1 mm，通过不断加密网格，确定网格尺寸为0.25 mm。

3 有限元仿真及试验结果分析

有限元仿真分析时，通过用螺钉和黏结剂的受力超过各自极限强度和黏结强度来判断标签脱落，通过标签封装及天线的受力超过各自的屈服强度来判断标签物理性损坏。其中，RFID芯片环氧树脂封装对芯片具有保护、支撑和散热作用，通过封装受力超过其屈服强度判断芯片的失效情况[11]。有限元仿真分析无法判断标签读写功能异常。在实物对比试验中，直接观察标签与托盘的脱离和损坏现象，使用手持终端测试标签读写功能。

3.1 RFID标签受力的有限元仿真分析

仿真依据GB/T 4996—2014中规定各个工况的试验方法和步骤进行。由于篇幅所限，选择上架和角跌落2种工况说明有限元仿真分析的过程和结果。图7是上架有限元仿真模型。通过在加载杠施加载荷模拟托盘载货，施加载荷1 000 kg。支座模拟储存托盘的货架，接触设置为固定约束。仿真可得到托盘、标签以及连接件的等效应力云图和剪切应力云图。这里首先展示螺钉紧固和黏结剂粘贴的标签各构件等效应力云图结果，见图8和图9。图10是角跌落有限元仿真模型。试验时将托盘按对角线方向提升至离地面0.5 m。结果见图11和图12。

图7 上架有限元仿真模型

图8 上架时RFID标签采用螺钉安装时的等效应力云图

图9 上架时RFID标签采用黏结剂粘贴时的等效应力云图

从图8～12可知，等效应力云图能反映2种工况中连接件及RFID标签各构件上产生的应力集中区域及最大应力值。在此基础上，汇总图1和图2所有承载和冲击工况下仿真试验中RFID标签各构件及连接件上的等效应力最大值，结果如表2所示。需要说明的是，在本研究的所有冲击试验中，RFID标签均布置在最靠近托盘受冲击点的垫块外立面上。RFID标签离冲击点越近越容易受损。

由表2可以看出，所有试验中作为连接件的螺钉所承受的最大等效应力未超过其极限强度，说明RFID标签采用螺钉紧固安装方式时在所有试验中均未从托盘脱落。同时，所有试验中的FR4封装材料、芯片环氧树脂封装材料以及采用螺钉安装方式时RFID标签中的天线，所受等效应力均小于各自屈服强度，说明均未产生塑性变形。不过，在角跌落试验中，采用黏结剂粘贴安装的RFID标签中的天线所受等效应力超过其屈服强度但并未超过其极限强度，说明天线发生了塑性变形但未断裂。

对比表2的数值还可以看出，在冲击工况中，天线和芯片在RFID标签采用黏结剂粘贴安装时所受等效应力均大于RFID标签采用螺钉安装方式时其所受等效应力；并且采用黏结剂安装时还出现天线产生塑性变形的情况。说明采用黏结剂安装时RFID标签各构件更易产生物理性损坏。而且，冲击试验时标签封装和天线所受等效应力均远大于承载工况所受等效应力，说明冲击工况比承载工况更容易导致RFID标签物理性损坏或脱落。

同时，通过有限元分析也能够得到各工况试验下RFID标签黏结剂所受剪切应力云图，其中托盘上架和角跌落试验中的结果如图13所示。汇总所有工况中黏结剂所受剪切应力最大值见表3。

从表3可看出，所有试验中黏结剂所受最大剪切应力均未超过其黏结强度，说明RFID标签均未从托盘脱落。结合表2汇总结果可知，2种安装方式的RFID标签均不会从托盘脱落，但冲击工况中采用黏结剂安装时RFID标签各构件易产生物理性损坏，螺钉紧固安装方式的耐用性更好。

图11 角跌落时RFID标签采用螺钉安装时的等效应力云图

图12 角跌落时RFID标签采用黏结剂粘贴时的等效应力云图

3.2 RFID标签受力的实物试验

依据GB/T 4995—2014进行冲击试验的现场见图14。其中，角跌落冲击试验使用吊具提升托盘进行试验见图14a，冲击试验均在冲击试验台上进行见图14b。试验前将平面尺寸为25 mm×5 mm的应变片粘贴在RFID标签外表面中心位置。试验中使用动态应变仪采集RFID标签表面应力。应变片为霍丁格必凯（苏州）电子测量技术有限公司的单直片型号应变片，动态应变仪为协力科技开发有限公司的XL2102A型号产品。对比应变片测量和有限元仿真的标签外表面应力结果可知，两者相符时，说明3.1节中的有限元仿真分析结果是可信的。

表2 RFID标签各部所受等效应力最大值的仿真结果

Tab.2 Simulation results of the maximum equivalent stress on each part of RFID tag MPa

图13 上架和角跌落时黏结剂剪切应力云图

表3 黏结剂所受剪切应力最大值的仿真结果

Tab.3 Simulation results of maximum shear stress on adhesive

图14 试验现场及关键设备

在上述各项冲击试验中通过直接观察看到，RFID标签均未从托盘脱离，标签外观也未发现物理损坏痕迹。这与3.1节中的有限元仿真分析的结果一致。为方便受力对比分析，将各项冲击试验中由动态应变仪测得和有限元仿真得到的RFID标签FR4封装外表面应力变化曲线合并绘制在一个图中，如图15所示。可以看出，试验曲线和仿真曲线从变化规律上有较好的吻合度。从曲线获得表面应力最大值并汇总于表4。计算求得仿真和试验中的表面应力最大值的最大相对误差为20.47%。仿真与试验结果在误差允许范围内具有一定的可信度，相互验证了结果的正确性。在图14和表4中仿真结果最大值均小于试验结果，可以考虑是因有限元模型简化造成。例如，RFID标签模型中层压封装材料FR4简化为上下两层结构且设置为绑定，托盘模型中删除了托盘钉且各木质构件间接触设置为绑定等，这样的简化会有利于RFID标签以及托盘的强度和稳定性的增加，从而减小应力。

3.3 RFID标签读写功能试验

本研究采用CHAINWAY公司的C72型号手持终端产品测试标签的读写功能。具体过程：在进行3.2节中的各项冲击试验之前，用手持终端向标签中写入编码；待冲击试验结束后，再用手持终端读取标签的编码数据。对比写入和读出的编码数据的一致性，判断标签读写功能是否正常。

图15 冲击试验标签表面应力曲线对比

表4 RFID标签表面应力最大值的仿真与试验结果

Tab.4 Maximum surface stress of RFID tag obtained in simulation and test

图16所示为各次托盘冲击试验完成后，手持终端从RFID标签读取的编码数据：（8003）06900001000013230000000001。与预先写入的编码数据一致。所有标签均通过了读写功能测试。从RFID标签读写功能试验也可以看出，虽然RFID标签受力的仿真分析结果显示，角跌落试验中标签天线发生了塑性变形，但因为天线没有折断，标签仍能进行正常的读写工作。

图16 RFID标签读写性能测试

4 结语

本文研究RFID标签在木质平托盘上的适用安装方式及其对使用性能的影响，采用Ansys有限元仿真与实物试验的手段，分析了木质平托盘在进行各承载试验和冲击试验时托盘上安装的RFID标签各构件与标签安装用连接件的受力情况。力学分析的结果表明，螺钉紧固和黏结剂粘贴这2种安装方式下的RFID标签均不会出现脱落和物理性损坏。RFID标签读写功能试验表明，各项试验后RFID标签读写功能正常。由此可以得出结论，在木制平托盘上RFID标签采用螺钉紧固和黏结剂粘贴的安装方式都能满足使用要求。考虑到托盘角跌落冲击造成粘贴安装的RFID标签天线出现了塑性变形的现象，对比而言，螺钉连接的耐用性更好。本文的力学分析结果为RFID标签在木质平托盘的安装方式选择提供了理论依据。

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Finite Element Analysis and Experimental Research on Installation Methods of RFID Tags on Wooden Pallets

TANG Ying*,MAO Xunhui, SUN Ru

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The work aims to study the installation method of RFID tags on wooden flat pallets and its influence on the performance of the tags by the means of simulation and experimental methods. By Ansys FEM simulation, stresses on the RFID tags which were installed on the wooden flat pallets by screw fastening and by adhesive bonding were analyzed while the pallets were subject to the loading and impacting tests. As a comparison, surface stresses on RFID tags and their Read/Write functions were measured and tested by experiments in lab. Seen from the stress analysis results about RFID tag's components and the fastening screw/ adhesive binder, the RFID tags under both installation methods had not fallen off or physically damaged. And the RFID tags kept their Read/Write functions. Stress analysis results obtained by FEM simulation and by experimental tests were consistent with each other. Thus, the correctness of these results was verified. It is illustrated that both screw fastening and adhesive bonding can meet the need of installing RFID tags on pallets. Screw fastening shows better durability. The result provides theoretical support for the selection of the installation method of RFID tags in wooden flat pallets.

RFID tag; wooden pallet; installation; stress analysis; RFID read-write test

TB482.2

A

1001-3563(2024)07-0166-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.021

2023-09-01

国家重点研发计划（2020YFB1712902）

通信作者