秦 嵩 ，尹志新 ，張 偉

（1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.安陽工學(xué)院，河南安陽455000）

半高箱是集裝箱的一種類型，用于遠(yuǎn)洋船舶上運(yùn)輸大型貨物，適合叉車和港口吊裝設(shè)備的搬運(yùn)，裝卸貨物非常方便。技術(shù)部門擬設(shè)計一種半高箱，需要在ANSYS中建立模型，計算結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況下的強(qiáng)度和剛度值，以此來判斷結(jié)構(gòu)的性能是否合符相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

1 建立計算模型

按照半高箱的實(shí)際尺寸，在有限元軟件ANSYS中建立幾何模型，該半高箱為1/4對稱結(jié)構(gòu)[1]，只須對箱體的1/4結(jié)構(gòu)建模，并采用殼單元shell63對模型進(jìn)行離散，共生成42 133個單元，41 596個節(jié)點(diǎn)，模型如圖1所示。

圖1 1/4箱體分析模型

2 載荷工況及材料力學(xué)性能

2.1 載荷工況

本次計算主要模擬堆碼、吊頂、吊底和叉舉試驗(yàn)，各工況下載荷和約束的組成如表1所示（R=27 000 kg、T=3 000 kg）。

表1 工況載荷列表

2.2 力學(xué)性能曲線

該材料為SPH-A，實(shí)驗(yàn)得出的屈服極限為395 MPa，彈性模量E=195 GPa，拉伸曲線如圖2。

圖2 材料SPH-A的力學(xué)性能曲線

3 計算結(jié)果

3.1 堆碼試驗(yàn)工況

在堆碼載荷作用下，整個箱體的最大位移為24.975 mm，發(fā)生在側(cè)板上邊緣中間處（如圖3），角柱上的變形最大為2.574 mm，發(fā)生在角件伸出角柱部分上邊緣處（如圖4）。

圖3 堆碼試驗(yàn)箱體結(jié)構(gòu)位移云圖

圖4 角柱位移云圖

箱體上多個部位出現(xiàn)危險區(qū)域（應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力區(qū)域），具體位置如圖5箭頭所指。建議側(cè)板上邊緣與角柱連接處增加強(qiáng)板，其他危險區(qū)域增加接觸面積，以分散集中應(yīng)力。

圖5 堆碼試驗(yàn)箱體等效應(yīng)力云圖

3.2 吊頂試驗(yàn)工況

吊頂試驗(yàn)工況下，整個箱體的最大變形為26.748 mm，發(fā)生側(cè)板上邊緣中間處（如圖6）。

圖6 吊頂試驗(yàn)箱體位移云圖

箱體上多個部位出現(xiàn)危險區(qū)域（應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力區(qū)域），具體位置如圖7箭頭所指。建議側(cè)板上邊緣與角柱連接處增加強(qiáng)板，其他危險區(qū)域增加接觸面積，以分散集中應(yīng)力。

圖7 吊頂試驗(yàn)箱體等效應(yīng)力云圖

3.3 吊底試驗(yàn)工況

吊底試驗(yàn)工況下，最大變形為27.667 mm，發(fā)生側(cè)板上邊緣中間處（如圖8）。

圖8 吊底試驗(yàn)箱體位移云圖

箱體上多個部位出現(xiàn)危險區(qū)域（應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力區(qū)域），具體位置如圖9箭頭所指。建議側(cè)板上邊緣與角柱連接處增加強(qiáng)板，其他危險區(qū)域增加接觸面積，以分散集中應(yīng)力。

圖9 吊底試驗(yàn)箱體等效應(yīng)力云圖

3.4 叉舉試驗(yàn)工況

在叉舉試驗(yàn)工況下，整個箱體的最大變形為20.566 mm，發(fā)生側(cè)板上邊緣中間處（如圖10）。

圖10 叉舉試驗(yàn)箱體位移云圖

箱體上多個部位出現(xiàn)危險區(qū)域（應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力區(qū)域），具體位置如圖11箭頭所指。建議側(cè)板上邊緣與角柱連接處增加強(qiáng)板，其他危險區(qū)域增加接觸面積，以分散集中應(yīng)力。

圖11 叉舉試驗(yàn)箱體等效應(yīng)力云圖

4 改進(jìn)方法

根據(jù)計算結(jié)果可以得到，該箱型在2R-T載荷下，加強(qiáng)筋板與側(cè)板及底橫梁接觸處出現(xiàn)較大集中應(yīng)力，建議將接觸處增加墊板。側(cè)邊上邊緣的L梁與角柱接觸處出現(xiàn)較大集中應(yīng)力，建議在該處增加加強(qiáng)板。

在通過與設(shè)計工程師的溝通后，出于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加工工藝、成本的考慮[2]，則提出如圖12和圖13所示兩種方案。

圖12 方案Ⅰ（增加6根加強(qiáng)板和頂中橫梁、去掉外側(cè)板）

4.1 方案Ⅰ

增加6根加強(qiáng)板和頂中橫梁、去掉外側(cè)板，加強(qiáng)板板厚由原來的4 mm改為3 mm，頂中橫梁采用40 mm×100 mm，壁厚為3 mm。加載2R-T時，變形位移由原來的27.667 mm（如圖8）降為10.91 mm（如圖14）。除加強(qiáng)筋板與側(cè)板接觸處、上L梁端部與立柱接觸處出現(xiàn)大集中應(yīng)力外，其他地方均安全，建議將筋板做成L型，L梁端部增加加強(qiáng)板。

圖14 方案Ⅰ箱體位移云圖

圖15 方案Ⅰ箱體等效應(yīng)力云圖

4.2 方案Ⅱ

增加6根加強(qiáng)板和頂中橫梁，加強(qiáng)板板厚由原來的4 mm改為3 mm，頂中橫梁采用40 mm×100mm，壁厚為3 mm。加載2R-T時，變形位移由原來的27.667 mm（如圖8）降為8.619 mm（如圖16）。除加強(qiáng)筋板與側(cè)板接觸處、上L梁端部與立柱接觸處出現(xiàn)大集中應(yīng)力外，其他地方均安全，建議將筋板做成L型，L梁端部增加加強(qiáng)板。

圖16 方案Ⅱ箱體位移云圖

圖17 方案Ⅱ箱體等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語

利用有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，能夠很好解決實(shí)際工程設(shè)計問題。在進(jìn)行半高箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計中，有限元分析結(jié)果完全符合實(shí)際情況，通過標(biāo)準(zhǔn)工況下強(qiáng)度和剛度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進(jìn)后的半高箱強(qiáng)度和剛度滿足要求，且加工工藝性好，成本低。

[1]黃國權(quán).有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]王啟廣，葉 平.現(xiàn)代設(shè)計理論[M].合肥：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.