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        ANSYS屈曲分析在集裝箱上的應(yīng)用

        2018-08-17 09:37:48黃紅珍
        中國(guó)科技博覽 2018年31期
        關(guān)鍵詞:集裝箱

        黃紅珍

        [摘 要]集裝箱在進(jìn)行樣箱試驗(yàn)時(shí),箱體的局部位置出現(xiàn)起皺和波浪等失穩(wěn)現(xiàn)象,影響集裝箱外觀和使用性能,因此有必要在新箱型設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行箱體穩(wěn)定性分析。本文利用有限元軟件ANSYS對(duì)集裝箱進(jìn)行屈曲分析,從而判斷其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        [關(guān)鍵詞]集裝箱、樣箱試驗(yàn)、失穩(wěn)、屈曲分析

        中圖分類號(hào):TV663.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-914X(2018)31-0399-02

        一、前言

        隨著世界經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng),集裝箱行業(yè)得到快速發(fā)展,為滿足不同客戶、不同使用環(huán)境和使用工況的要求,必須開(kāi)發(fā)出新的產(chǎn)品。集裝箱設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行新型集裝箱設(shè)計(jì)時(shí),往往依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),生產(chǎn)制造出一臺(tái)樣箱,再通過(guò)樣箱試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證集裝箱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。如果在試驗(yàn)時(shí),箱體側(cè)板、底側(cè)梁、角柱等主要受力構(gòu)件出現(xiàn)彎扭、褶皺、翹曲等失穩(wěn)現(xiàn)象,則試驗(yàn)不能通過(guò),客戶也不會(huì)接受。這就需要將發(fā)生失穩(wěn)的構(gòu)件拆除、返工、重新制作,甚至整個(gè)箱體結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì),所費(fèi)時(shí)間、人力、物力等成本費(fèi)用太大,因而研究新型集裝箱的穩(wěn)定性尤其重要。

        ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、屈曲分析、電磁場(chǎng)分析、流體力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元軟件,利用其屈曲分析模塊可以對(duì)集裝箱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

        二、集裝箱試驗(yàn)要求

        集裝箱作為現(xiàn)代物流裝備,適用于國(guó)際、國(guó)內(nèi)交換中的鐵路、公路、水路運(yùn)輸以及這些運(yùn)輸方式之間的聯(lián)運(yùn),這就要求集裝箱的強(qiáng)度必須達(dá)到ISO 1496系列1集裝箱技術(shù)要求和試驗(yàn)方法規(guī)定。按此規(guī)定新型集裝箱需進(jìn)行下面剛性試驗(yàn):(1)堆碼試驗(yàn);(2)從頂角件起吊試驗(yàn);(3)從底角件起吊試驗(yàn);(4)縱向栓固試驗(yàn);(5)端壁強(qiáng)度試驗(yàn);(6)側(cè)壁強(qiáng)度試驗(yàn);(7)頂部試驗(yàn);(8)底部強(qiáng)度試驗(yàn);(9)橫向剛性試驗(yàn);(10)縱向剛性試驗(yàn);試驗(yàn)后由船級(jí)社根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和要求,審批是否通過(guò)。

        三、失穩(wěn)的概念及屈曲分析的理論

        當(dāng)結(jié)構(gòu)所受載荷達(dá)到某一值時(shí),若增加一微小的增量,則結(jié)構(gòu)的平衡位形將發(fā)生很大的改變,這種現(xiàn)象叫做結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)屈曲,相應(yīng)的荷載稱為屈曲載荷或臨界載荷。失穩(wěn)是在載荷沒(méi)有實(shí)質(zhì)變化的情況下,結(jié)構(gòu)的變形迅速增大,它是瞬間發(fā)生的,后果非常嚴(yán)重,因而新型集裝箱的設(shè)計(jì)除了需保證足夠的強(qiáng)度和剛度外,還需保證其具有必要的穩(wěn)定性。

        ANSYS屈曲分析模塊提供兩種分析方法:線性特征值屈曲分析和非線性屈曲分析。

        1)線性特征值屈曲分析通過(guò)提取使線性系統(tǒng)剛度矩陣奇異的特征值獲得結(jié)構(gòu)的臨界失穩(wěn)載荷及失穩(wěn)模態(tài),它是以小位移小應(yīng)變的線彈性理論為基礎(chǔ)的。2)非線性屈曲分析是將線性屈曲特征值求解與增量非線性求解相結(jié)合。非線性屈曲分析的基本方法是,在結(jié)構(gòu)上逐步地施加一個(gè)恒定的載荷增量,直到解開(kāi)始發(fā)散為止即載荷達(dá)到預(yù)期的臨界屈曲載荷。

        線性特征值屈曲分析不考慮各種非線性因素和初始缺陷對(duì)屈曲失穩(wěn)載荷的影響,計(jì)算速度快;非線性屈曲分析則考慮了以往加載過(guò)程中各種諸如塑性行為、接觸、大變形響應(yīng)等非線性因素和初始缺陷,因此非線性屈曲分析可得到更精確的屈曲載荷,但計(jì)算所需時(shí)間太長(zhǎng)。

        研究集裝箱的穩(wěn)定性就是為了得到集裝箱在各種試驗(yàn)工況下,結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷及失穩(wěn)形狀,因而只需按線性特征值屈曲分析所得結(jié)果,給出一個(gè)安全系數(shù),便可以通過(guò)樣箱試驗(yàn)。

        四、集裝箱穩(wěn)定性分析實(shí)例

        集裝箱箱型結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)工況很多,下面以某箱廠生產(chǎn)制作的一種臺(tái)架箱的堆碼試驗(yàn)工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

        臺(tái)架箱外型尺寸:20×8 ×86”

        箱體總重: R=30,480 kg; 箱體自重: T=2,100kg; 箱體載重: P=28,380kg

        角柱堆碼值:54,860kg

        根據(jù)ISO1496-5系列1平臺(tái)式和臺(tái)架式集裝箱的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法可知,集裝箱做堆碼試驗(yàn)時(shí),是將集裝箱四個(gè)底角件放在同一水平墊塊上,在箱體底架均勻分布1.8R-T砝碼,同時(shí)在箱體四個(gè)頂角件上進(jìn)行堆碼加載。實(shí)際上箱廠在做此試驗(yàn)時(shí),通常先將箱體底架上的砝碼裝載好,再對(duì)頂角件進(jìn)行加載,因此,首先計(jì)算和驗(yàn)證的是箱體底架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,即僅底架加載,角柱上堆碼暫不加載。

        根據(jù)上面描述對(duì)集裝箱進(jìn)行線性特征值屈曲分析,步驟如下:

        1)有限元模型建立

        此集裝箱材料為SPA-H,鋼材的彈性模量:2.06×105MPa;泊松比:0.3;

        箱體由板件拼焊而成,模型單元選用SHELL181板殼單元;

        2)邊界條件及加載

        邊界條件:固定箱體四個(gè)底角件;

        加載:在箱體底架加載1.8R-T=52,764kg力,

        3)進(jìn)行屈曲分析

        設(shè)置模態(tài)提取數(shù):1

        4)讀取計(jì)算結(jié)果

        通過(guò)拾取菜單Main Menu→General Postproc→Results Summary可以查看分析計(jì)算結(jié)果,如圖1所示:

        從上圖數(shù)據(jù)可以看到,臨界載荷系數(shù)TIME/FREQ值為0.60233。

        根據(jù)公式:臨界載荷=臨界載荷系數(shù)×所加荷載,可以計(jì)算出臺(tái)架箱底架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象的載荷=0.60233×52,764kg=31,781kg。

        通過(guò)拾取菜單Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu→DOF Solution→Displacement vector sum,查看失穩(wěn)出現(xiàn)的部位,如圖2所示。

        從上圖可知臺(tái)架箱加載到31,487kg臨界載荷時(shí),底側(cè)梁上翼邊首先發(fā)生失穩(wěn)。

        該箱底側(cè)梁采用的是折彎型C形件,尺寸為:600x100x100x4.5,即C形梁高600mm,上、下翼邊寬100mm,板厚4.5mm,屬于開(kāi)口薄壁件。下圖是箱廠樣箱試驗(yàn)的照片(見(jiàn)圖3),從照片中可以清楚地看到,底架砝碼載荷裝到33T時(shí),底側(cè)梁的上翼邊呈現(xiàn)波浪形狀,這與分析計(jì)算的結(jié)果十分吻合。

        5)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        利用ANSYS有限元技術(shù),對(duì)臺(tái)架箱底側(cè)梁進(jìn)行優(yōu)化,分別從底側(cè)梁板厚、底側(cè)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行,具體方案如圖4。

        按照上述方案進(jìn)行屈曲分析,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,(為了方便比較,將原結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)也寫(xiě)入)。

        集裝箱堆碼試驗(yàn)是驗(yàn)證滿載的集裝箱在海洋船舶運(yùn)輸條件下,在箱垛中出現(xiàn)偏碼時(shí)的承載能力。ISO1496標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)載荷1.8g的豎向加速度,已經(jīng)考慮到集裝箱在海洋上遇到的最惡劣的條件下船舶的橫搖、縱傾、升沉等極限情況,所以在進(jìn)行屈曲分析時(shí),臨界載荷安全系數(shù)達(dá)到1.1~1.2就可以滿足集裝箱試驗(yàn)和使用的要求。

        考慮到制作成本,臺(tái)架箱底側(cè)梁按結(jié)構(gòu)2的方案,在底架加載的同時(shí),再在四個(gè)頂角件上增加堆碼載荷,計(jì)算出臨界載荷安全系數(shù)為1.1083,可以判斷臺(tái)架箱在堆碼試驗(yàn)工況下整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性達(dá)到要求。

        五、總結(jié)

        1)對(duì)于新型集裝箱的設(shè)計(jì),線性特征值屈曲分析具有較高的精度;2)瘦高的開(kāi)口薄壁件在受壓的工況下,容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象;3)增加板厚可以提高結(jié)構(gòu)的臨界載荷,但成本提高很多;4)合理的設(shè)計(jì),是提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的必要條件。

        參考文獻(xiàn)

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        [5] ISO 1496-5系列1平臺(tái)式和臺(tái)架式集裝箱技術(shù)要求和試驗(yàn)方法,1996.

        [6] ISO 15070系列1集裝箱箱體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)值的理論基礎(chǔ),1996.

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