趙從良

摘要：本文引入了有限元軟件中的靜態(tài)分析模型進(jìn)行處理，對(duì)新型的底板材料制定優(yōu)化方案，并通過(guò)有限元分析軟件中的優(yōu)化模塊，進(jìn)行有限元分析。通過(guò)壓力機(jī)對(duì)板材試樣進(jìn)行彎曲變形量測(cè)試，得到材料的實(shí)際彈性模量（影響地板材料所能承受載荷大小的關(guān)鍵因素）。通過(guò)SolidWorks建立實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析板材在承受載荷時(shí)的應(yīng)力和產(chǎn)生的位移變化。通過(guò)不同工況的比較和新型塑料底板與木材底板的應(yīng)力、位移變形的比較，提出加入鋼筋后的新型塑材底板的優(yōu)化方案，最終達(dá)到用新型塑材代替原用木材的效果。

關(guān)鍵詞：集裝箱底板；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ANSYS

集裝箱的底板是集裝箱的主要承載配件，不僅要求有極高的強(qiáng)度，剛度和較好的耐久性，還需要進(jìn)行特殊的化學(xué)防蟲處理，是迄今為止人造板產(chǎn)品中技術(shù)性能要求最高的一種。迄今，阿必東仍是制造底板最常用的木材之一，但它的最大缺陷就是自重大，價(jià)格高，而且遇到水和受到潮濕的時(shí)候，容易變形和損壞。近來(lái)年世界造箱業(yè)迫切尋求能夠替代傳統(tǒng)阿必東木底板的新型材料，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)前集裝箱底板綜合情況，完成對(duì)集裝箱底板的有限元分析，主要研究工作包括：（1）裝箱底板性能測(cè)試；（2）集裝箱底板靜態(tài)分析；（3）裝箱底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

一、集裝箱底板有限元分析基礎(chǔ)理論

有限元法是目前工程技術(shù)領(lǐng)域中實(shí)用性最強(qiáng)，應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬方法。它的基本思想是將問(wèn)題的求解域劃分一系列單元，單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)連接。本文研究的集裝箱底板是在對(duì)底板支架系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)際工況計(jì)算中，假定叉車開(kāi)進(jìn)集裝箱，叉車輪胎跨度180mm，輪胎與底板接觸長(zhǎng)度按照20mm進(jìn)行計(jì)算，叉車質(zhì)量7260Kg，每個(gè)輪胎承受重量為3630Kg，將叉車重量等效加載到底板上進(jìn)行計(jì)算。集裝箱底板的幾何參數(shù)如圖1-1所示。

集裝箱底板可以使用結(jié)構(gòu)實(shí)體單元（soild）進(jìn)行建模。本集裝箱底板結(jié)構(gòu)材料主要為Q235號(hào)結(jié)構(gòu)碳素鋼材，彈性模量210GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。ANSYS提供了強(qiáng)大的模型生成功能，能夠通過(guò)自底向上的建模方法構(gòu)建各種有限元模型，本集裝箱底板結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1-2所示。

在對(duì)集裝箱底板進(jìn)行有限元分析中，主要模擬叉車在集裝箱內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)底板支架系統(tǒng)的應(yīng)力及變形情況。此時(shí)，底板承受載荷主要為彎曲載荷，為了盡量近似的模擬底板支架真實(shí)承載情況，在測(cè)試底板材料的彈性模量時(shí)，主要進(jìn)行底板材料彎曲狀態(tài)下的彈性模量測(cè)試，并依次進(jìn)行底板系統(tǒng)的強(qiáng)度有限元計(jì)算。

1、材料彈性模量測(cè)試數(shù)據(jù)：

根據(jù)塑料底板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)作出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，在材料的彈性階段，隨著載荷的增加試樣上的應(yīng)力呈線性增加，根據(jù)最小二乘法得出兩個(gè)試樣的彈性模量為1.23GPa和1.27GPa。

2、材料承受彎曲最大應(yīng)力測(cè)試

對(duì)兩個(gè)試樣分別進(jìn)行加載直至試樣斷裂破壞，測(cè)得兩次試驗(yàn)的最大載荷數(shù)值為：

試樣1：

試樣2：

3、塑料底板結(jié)構(gòu)破壞測(cè)試

為模擬底板實(shí)際工況，將底板試樣裝夾在寬度為300mm的夾具上，即兩點(diǎn)固定約束支撐。

試樣1：試樣1斷裂時(shí)的極限載荷Ｆｍａｘ＝８．７ｋＮ

試樣2：試樣2斷裂時(shí)的極限載荷Ｆｍａｘ＝１１ｋＮ

4、塑料底板支架系統(tǒng)有限元分析

在對(duì)底板支架系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)際工況計(jì)算中，假定叉車開(kāi)進(jìn)集裝箱，叉車輪胎跨度180mm，輪胎與底板接觸長(zhǎng)度按照20mm進(jìn)行計(jì)算，叉車質(zhì)量7260Kg，每個(gè)輪胎承受重量為3630Kg，將叉車重量等效加載到底板上進(jìn)行計(jì)算。按照叉車在集裝箱內(nèi)不同位置，將底板系統(tǒng)承載情況分為三種工況，分別進(jìn)行分析計(jì)算。

從計(jì)算結(jié)果上可以看出，按照叉車重量為7260kg對(duì)底板支架系統(tǒng)進(jìn)行校核，槽鋼材料為Q235，屈服強(qiáng)度為235MPa。在分析有限元計(jì)算結(jié)果時(shí)，在槽鋼兩端的拐角處應(yīng)力集中，該區(qū)域很小，此處應(yīng)力不計(jì)算在最大應(yīng)力內(nèi)。當(dāng)采用塑料底板時(shí)，底板材料的彈性模量?jī)H為1.26GPa，造成直接承載槽鋼的應(yīng)力明顯提高，各種工況下的槽鋼兩端應(yīng)力均大于材料的屈服強(qiáng)度，槽鋼中部應(yīng)力也接近190MPa，此時(shí)槽鋼強(qiáng)度不足。當(dāng)將塑料底板換成木材進(jìn)行分析計(jì)算后，從計(jì)算數(shù)據(jù)上可以看出，由于木材的彈性模量比塑料的彈性模量高出8～9倍，當(dāng)叉車在底板上運(yùn)動(dòng)時(shí)，槽鋼上的應(yīng)力分布更為均勻，載荷分布到了更多的槽鋼上，各種工況下的槽鋼兩端應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，槽鋼中部應(yīng)力均低于120MPa，此時(shí)槽鋼強(qiáng)度足夠。

二、基于有限元分析的集裝箱底板優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于叉車是在底板上運(yùn)動(dòng)，所以主要考慮的還是對(duì)底板材料的改性，來(lái)提高底板的強(qiáng)度。綜合材料的成本和結(jié)構(gòu)的重量自身對(duì)底板槽鋼的壓力變形問(wèn)題，采用彈性模量高的鋼筋穿插于底板的夾層之間來(lái)提高底板整體的彈性模量（如圖1-3所示），使之能夠滿足在同等載荷情況下變形量小于木材底板的變形量，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。

由于加載在同樣尺寸底板上的力相同，則同等位置、同等約束情況下產(chǎn)生的彎矩Μ也相同，所以引起變形的主要因素是材料的抗彎截面模量W。根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，矩形截面材料的抗彎截面模量公式為：

而單獨(dú)對(duì)一根鋼筋的抗彎截面模量進(jìn)行研究，則根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，由于其對(duì)中間軸的慣性矩公式為：

得出其抗彎截面模量為：

根據(jù)測(cè)試的木材試樣數(shù)據(jù)得出木材的抗彎截面模量為：

由于鋼筋的許用應(yīng)力為[？滓]=140～160MPa，而塑料的[？滓]=20MPa左右，所以即使是合成塑材整個(gè)底板所承受的壓力可以近似到由鋼筋承受。因?yàn)楫?dāng)加有鋼筋時(shí)的底板的應(yīng)力峰值是集中有鋼筋的地方的，而且此峰值遠(yuǎn)大于底板截面上任意地方的塑材應(yīng)力峰值，所以只要鋼筋能滿足所承受的壓力，則底板的變形就能小于木材底板的變形量。在滿足結(jié)構(gòu)要求條件下盡量取大鋼筋的尺寸，在此取鋼筋的直徑為d=4mm，根據(jù)公式得出一根鋼筋的抗彎截面模量為：

則需要鋼筋的數(shù)目Z應(yīng)該大于滿足木材抗彎截面模量除以鋼筋抗彎截面模量求得的數(shù)目，即z≥55.55，所以取鋼筋的數(shù)目為56根。

選取工況1來(lái)建立有限元模型如圖1-4所示，施加相同的約束于槽鋼兩側(cè)，然后導(dǎo)入有限元分析計(jì)算，得出應(yīng)力變形圖和位移變形圖。

結(jié)果分析：根據(jù)有限元分析結(jié)果得出加入鋼筋后的新型塑材底板在承受和木材底板相同載荷時(shí)，所產(chǎn)生的垂直于面板方向的最大位移變形為2.51mm小于木材底板的最大位移變形量，所以此種優(yōu)化方案是可行的。

本文采用的有限元分析方法避免了常規(guī)分析時(shí)做的種種假設(shè)，結(jié)果更具有可靠性。集裝箱生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)人員可以在集裝箱底板新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中用有限元分析結(jié)果指導(dǎo)樣機(jī)試制，樣機(jī)做好后進(jìn)行試驗(yàn)分析，用分析所得的參數(shù)，對(duì)有限元模型再進(jìn)行修改，使其更符合實(shí)際，從而提高有限元分析的精度，根據(jù)修改后的分析結(jié)果提出集裝箱底板結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改方案，用于指導(dǎo)新產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。該方法很容易掌握，對(duì)集裝箱底板設(shè)計(jì)單位和集裝箱使用工程技術(shù)人員有一定的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]杜瑞玲.集裝箱膠合底板國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布并實(shí)施.集裝箱化.2005.3

[2]白建偉李潤(rùn)培顧永寧胡志強(qiáng).集裝箱船整船有限元結(jié)構(gòu)分析.船舶工程.2000.

[3]趙經(jīng)文，王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].第2版.科學(xué)出版社，2001.5.

[4]RichardG.Budynas.AdvancedStrengthandAppliedStressAnalysis[M].北京：

[5]黃長(zhǎng)征，譚建平.大型鋼結(jié)構(gòu)件有限元力學(xué)分析方法研究[J].廣東韶關(guān)學(xué)院.