基于动态形变监测的纸箱堆叠稳定性评价系统的制作方法

本公开涉及但不限于测量及计算，尤其涉及基于动态形变监测的纸箱堆叠稳定性评价系统。

背景技术：

1、在物流运输和仓储管理领域，纸箱堆叠是常见的包装和储存方式，其在提升空间利用率、降低运输成本以及保障货物安全方面起着重要作用。然而，纸箱堆叠结构的稳定性直接影响到货物运输的安全性以及储存管理的高效性。现有技术中，针对纸箱堆叠的稳定性问题已经有了许多研究和工程实践，涉及堆叠设计、材料优化、力学分析和动态监测等多个领域，但依然存在许多问题亟待解决。

2、传统的纸箱堆叠设计主要依赖于经验法则和静态分析模型。例如，在实际应用中，工人会根据纸箱的尺寸、重量以及堆叠层数，结合经验进行堆叠设计，并利用简单的稳定性判断方法(如顶部施加压力测试)来评估堆叠结构的承载能力。这种经验性方法虽然具有一定的实用性，但缺乏系统性和科学性，无法准确预测复杂堆叠条件下的动态失稳风险。此外，由于纸箱材料的弹性特性、尺寸误差以及接触面摩擦等因素的复杂性，传统的静态评估方法难以涵盖实际堆叠环境中的动态特性，例如运输过程中的振动、冲击和重心偏移等。

3、近年来，力学分析方法在纸箱堆叠稳定性研究中得到了广泛应用，尤其是基于有限元分析的数值仿真技术。通过建立堆叠结构的力学模型，模拟不同堆叠条件下的应力分布和形变模式，研究人员能够对纸箱堆叠的稳定性进行更加深入的分析。例如，一些研究基于纸箱的材料属性(如弹性模量和泊松比)，结合堆叠载荷和重力条件，计算堆叠结构的最大承载力和失稳模式。这种方法在静态堆叠环境下具有较好的效果，但在动态条件下(如运输过程中的振动和冲击)仍存在显著局限性。动态环境中，堆叠结构的形变和应力分布是时间变化的，传统的静态分析方法无法有效捕捉动态变化对堆叠稳定性的影响。

4、另外，近年来在纸箱材料改性和结构优化方面也有一些进展。例如，开发了高强度瓦楞纸箱，使用多层材料提升纸箱的抗压能力，并优化了纸箱的边缘结构以减少剪切失稳的风险。然而，这些材料和结构改进主要针对单个纸箱的力学性能，未能充分考虑堆叠结构中层间相互作用的复杂性。堆叠结构的稳定性不仅取决于单个纸箱的力学性能，还受到层间摩擦、质量分布、接触面积以及相邻层形变耦合等因素的显著影响。现有材料优化和结构设计方法通常未能对这些复杂的层间交互关系进行系统考虑，导致堆叠稳定性在实际应用中仍存在较大不确定性。

技术实现思路

1、本公开在于提供基于动态形变监测的纸箱堆叠稳定性评价系统，该系统实现了从形变监测到稳定性值计算的全流程自动化，具备实时性、精确性和适应性。相比现有技术，本发明能够更全面地捕捉堆叠体系在动态环境中的非线性特性和失稳趋势，为物流运输和仓储管理中的堆叠设计优化及安全控制提供了可靠支持，有效降低失稳风险并提升运输效率。

2、为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

3、基于动态形变监测的纸箱堆叠稳定性评价系统，所述系统包括：传感器部分、动态稳定性分析部分和稳定性评价部分；所述传感器部分包括多个传感器单元，每个传感器单元设置在堆叠纸箱中预先选定的检测点位置，每个传感器单元采集检测点位置的实时位移和实时剪切变形量；所述动态稳定性分析部分，用于基于每个检测点的实时位移和实时剪切变形量，构建堆叠纸箱的形变特征张量；根据形变特征张量，计算应变能密度场和构建动态稳定性函数；根据形变特征张量、应变能密度场和动态稳定性函数，对堆叠过程中的层间耦合效应进行分析，计算层间耦合张量；所述稳定性评价部分，用于结合应变能密度场、层间耦合张量、形变特征张量和动态稳定性函数，进行非线性响应谱分析，得到非线性响应谱函数，并对非线性响应谱函数进行非线性修正运算，得到非线性修正值后，计算堆叠纸箱的稳定性值，并将计算出的稳定性值与预设的稳定性阈值进行比较，若低于设定的稳定性阈值，则判断堆叠纸箱不稳定，并发出预警；所述堆叠纸箱中，所有纸箱采用相同的材料制成。

4、进一步的，所述传感器单元包括：激光位移传感器和应变片；所述激光位移传感器和应变片的采样频率至少为100hz。

5、进一步的，形变特征张量d使用如下公式进行表示：

6、

7、其中，n为检测点的数量；δxi(t)为第i个检测点在t时间时，x轴方向的位移分量；δyi(t)为第i个检测点在t时间时，y轴方向的位移分量；δzi(t)为第i个检测点在t时间时，z轴方向的位移分量；γixy(t)表示第i个检测点在t时间时，x轴方向朝向y轴方向的剪切变形量；γixz(t)表示第i个检测点在t时间时，x轴方向朝向z轴方向的剪切变形量；γiyx(t)表示第i个检测点在t时间时，y轴方向朝向x轴方向的剪切变形量；γiyz(t)表示第i个检测点在t时间时，y轴方向朝向z轴方向的剪切变形量；γizx(t)表示第i个检测点在t时间时，z轴方向朝向x轴方向的剪切变形量；γizy(t)表示第i个检测点在t时间时，z轴方向朝向y轴方向的剪切变形量；ri表示第i个检测点的位置矢量；lc为特征长度，定义为堆叠纸箱中，所有纸箱的平均高度的三分之一；||·||为向量的模长运算。

8、进一步的，通过如下公式，根据形变特征张量，计算应变能密度场e：

9、

10、其中，c为堆叠纸箱的材料的弹性属性张量；：表示张量之间的双点积运算；α为权重因子，用于调节形变梯度对应变能密度的影响，为设定值；v表示所有检测点所处的空间区域；dv为空间积分变量；为梯度算子。

11、进一步的，通过如下公式，构建动态稳定性函数s：

12、

13、其中，dτ为时间积分变量；ec为临界能量密度；||·||f为f范数运算；dmax为堆叠纸箱中所有纸箱的最大允许形变量。

14、进一步的，在对堆叠过程中的层间耦合效应进行分析时，将堆叠纸箱按照从上到下的顺序，平均划分为多层，在每一层中均包括多个检测点，通过如下公式，根据形变特征张量、应变能密度场和动态稳定性函数，对堆叠过程中的层间耦合效应进行分析，计算层间耦合张量c：

15、

16、其中，μ为纸箱表面的摩擦系数；n为划分的堆叠纸箱的层数；dk为第k层的形变特征张量；dk+1第k+1层的形变特征张量；ak，k+1为第k层堆叠纸箱与第k+1层堆叠纸箱的接触面积；mk为第k层堆叠纸箱的质量；mk+1为第k+1层堆叠纸箱的质量；为哈达玛积。

17、进一步的，通过如下公式，结合应变能密度场、层间耦合张量、形变特征张量和动态稳定性函数，进行非线性响应谱分析，得到非线性响应谱函数r：

18、

19、其中，为傅里叶变换函数。

20、进一步的，通过如下公式，对非线性响应谱函数进行非线性修正：

21、

22、其中，g为非线性修正值；det|·|为矩阵的行列式运算符。

23、进一步的，通过如下公式，通过如下公式，计算堆叠纸箱的稳定性值λ：

24、

25、其中，tr(·)为矩阵的迹的运算；||·||2为l2范数。

26、本发明的基于动态形变监测的纸箱堆叠稳定性评价系统，具有以下有益效果：首先，本发明实现了堆叠纸箱形变特征的实时、高精度采集，这为稳定性分析奠定了坚实的基础。通过使用激光位移传感器和应变片，本发明能够在每个检测点监测堆叠纸箱的三维位移和剪切变形量。这种传感器组合的设计不仅具备非接触测量的优势，还能够捕捉纸箱堆叠过程中复杂的动态形变行为，特别是在运输过程中的振动、冲击和重心偏移等动态环境下，能够提供高频、准确的数据输入。相比于现有技术中依赖单点监测或静态采集的方法，本发明的传感器模块显著提升了对堆叠体系形变特性的捕捉能力，确保系统能够全面、实时地获取堆叠结构的力学特性。其次，本发明通过构建形变特征张量、应变能密度场、层间耦合张量和动态稳定性函数，为复杂堆叠体系的力学行为提供了数学建模的基础。这些力学模型在现有技术中难以全面覆盖的多维因素被有机结合在一起。例如，通过形变特征张量，本发明能够量化堆叠体系中各检测点的动态形变特性，并通过空间衰减函数合理分配不同检测点对整体形变的影响。应变能密度场则以能量分布的视角描述堆叠体系的内部应力状态，揭示了局部失稳区域的潜在风险。层间耦合张量的引入则捕捉了堆叠体系中层间交互的复杂关系，例如因摩擦力、质量差异和接触面积引发的层间滑移趋势。动态稳定性函数通过频域分析进一步揭示堆叠体系的动态特性，特别是在外部扰动频率与体系固有振动模式相耦合时，能够精确评估失稳风险。这些模型的创新性结合，使得本发明不仅能够反映堆叠体系的静态稳定性，还能够全面刻画其在动态环境中的演化过程，为后续的稳定性评价提供了全面、可靠的数据基础。