趙 博，閆 單

基于ANSYS的房屋集裝箱靜力分析

趙 博1，閆 單2

（1.東方國際集裝箱（錦州）有限公司，遼寧 錦州 121007; 2.錦州錦恒汽車安全系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 錦州 121007）

用Creo和ANSYS軟件為國外客戶定制的房屋集裝箱建筑群中的無側(cè)墻房屋箱模塊進(jìn)行了模擬分析研究，并與東方國際集裝箱(錦州)有限公司試驗臺測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后得出此種結(jié)構(gòu)滿足變形和強度要求，為后續(xù)相似產(chǎn)品的開發(fā)提供技術(shù)資料。

集裝箱；房屋；ANSYS；有限元

房屋集裝箱具有無污染，建造時間短，運輸方便等特點。目前國內(nèi)一些學(xué)者和企業(yè)在集裝箱建筑的綠色發(fā)展、低碳環(huán)保、節(jié)能效率等方面進(jìn)行了大量研究，以此來促進(jìn)我國房屋集裝箱產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[1-7]。由于房屋集裝箱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包含很多梁柱結(jié)構(gòu)和板殼結(jié)構(gòu)，采用單純的理論計算難以計算出各個部位的變形量，這會為后續(xù)裝修工作中預(yù)留伸縮縫和選擇材料帶來很大的難度，但采用ANSYS有限元軟仿真計算可以很好的解決此類問題。

1 模型的建立

無側(cè)墻箱模塊的箱體外部尺寸為12 192 mm×2 438 mm×2 896 mm，主要由角件、門連窗結(jié)構(gòu)、頂側(cè)梁、角柱、隔墻立柱、混凝土板包邊料等結(jié)構(gòu)組成。除角件和混凝土板外，其余結(jié)構(gòu)均為薄壁型材和鈑金件，具體如圖1所示。

圖1 無側(cè)墻箱模塊結(jié)構(gòu)圖

在房屋集裝箱的運輸和安裝使用過程中，主體結(jié)構(gòu)的變形和強度是客戶主要關(guān)心問題，因而主要是對鋼結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行細(xì)致的分析是工作中的重點。房屋集裝箱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以要構(gòu)建十分準(zhǔn)確的模型是非常繁瑣的，對模型進(jìn)行簡化不僅可以提高網(wǎng)格質(zhì)量而且可以提高效率，比如將角柱底部封板、防撞槽鋼封板、擋水屋檐等不影響安全性的零件去掉等，這樣可以大幅度的降低計算機(jī)的運算量，采用creo軟件建立的無側(cè)墻房屋箱模塊模型如圖2所示。本文對角件和混凝土墻板模型采用20節(jié)點的Solid186單元；其它薄壁鈑金件簡化為面體，采用4節(jié)點Shell181單元。角件材質(zhì)設(shè)置為SCW480，其彈性模量為2.06e11Pa，泊松比為0.27；混凝土板材質(zhì)設(shè)置為Concrete，其彈性模量為3e10Pa，泊松比為0.18；鈑金件材質(zhì)設(shè)置為Corten A鋼，其彈性模量為2.06e11Pa，泊松比為0.27，屈服強度為343 MPa。

圖2 無側(cè)墻模塊模型

2 網(wǎng)格劃分

細(xì)密的、高質(zhì)量的網(wǎng)格可以使計算結(jié)果更加精準(zhǔn)，但計算速度較慢。粗糙的、低質(zhì)量的網(wǎng)格可以使計算速度加快，但計算結(jié)果的精度會降低，因此房屋集裝箱模型的網(wǎng)格質(zhì)量將直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算速度，所以在劃分網(wǎng)格時應(yīng)權(quán)衡其中的利與弊[8-9]。對于房屋集裝箱這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)來說，為了使網(wǎng)格較為規(guī)整，可以對每個零件整體設(shè)置一個單元尺寸，如將面體單元尺寸設(shè)置為20 mm，將實體單元設(shè)置為30 mm等，然后在關(guān)心的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，經(jīng)過多次試驗最后將無側(cè)墻模塊模型劃分為132 875個節(jié)點，76 231個單元，其中接觸單元9 768個，實體單元66 463個，有限元模型如圖3所示。

圖3 無側(cè)墻有限元模型

3 堆碼工況的有限元計算

堆碼是為了檢驗裝滿貨物的集裝箱在海洋中行駛和在碼頭、貨運堆場堆碼時，在靜載和動載的情況下，特別是在堆箱中出現(xiàn)偏碼的情況下最下層集裝箱的承載能力。

本文僅對該工況結(jié)構(gòu)相對較薄弱的無側(cè)墻模塊進(jìn)行了分析，無側(cè)墻模塊施加載荷如圖4所示。

3.1 載荷

試驗方法：液壓缸通過頂角件對角柱施加垂直壓載。最大總重：=14 100 kg，自重：=7 500 kg，載重：=6 600 kg；箱內(nèi)均布載荷：1.8-=17 880 kg，作用在底架上表面，方向為豎直向下；外載荷：12 690 kg/角柱，作用在每個頂角件上表面，方向為豎直向下。

3.2 約束

將房屋集裝箱一端底部角件的自由度進(jìn)行全部約束，將房屋集裝箱另一端的底部角件僅約束沿箱高方向的位移，將其簡化為類簡支梁約束。

圖5 測量位置的Z方向變形云圖

3.3 計算結(jié)果

圖5為與船級社試驗檢驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測量點相對應(yīng)位置的Z方向變形云圖，從圖5中可以知道有側(cè)墻模塊整箱豎直方向的最大變形量為5.55 mm。與實際角柱測量點相對應(yīng)位置的變形值詳見表1，與底架測量點相對應(yīng)位置的變形值詳見表2。圖6為房屋集裝箱無側(cè)墻模塊等效應(yīng)力云圖，從圖6中可以知道有側(cè)墻模塊整箱的最大等效應(yīng)力為181.2 MPa。因為鋼材材質(zhì)為集裝箱專用Corten A鋼，屈服強度為343 MPa，所以強度合格。

3.4 分析

由以上分析結(jié)果可知，房屋集裝箱端部角柱的最大變形量都小于試驗檢驗標(biāo)準(zhǔn)4 mm的要求，其中角柱B1B2的最大變形量為1.96 mm，角柱C1C2的最大變形量為0.76 mm，具體數(shù)值詳見表1和表3。

在船級社的檢驗標(biāo)準(zhǔn)中要求底側(cè)梁動態(tài)變形不超過底角件下平面6 mm為合格，但由于房屋集裝箱兩側(cè)下平面一般高于底角件下平面30 mm，所以只要動態(tài)變形值不超過36 mm即為合格，分析結(jié)果中底側(cè)梁的最大變形為5.01 mm，底架中間的底橫梁的最大變形為5.55 mm，底側(cè)梁和底橫梁的變形值均小于限定要求，滿足檢驗標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)值詳如表2和表3所示。

圖6 無側(cè)墻模塊-應(yīng)力云圖

表1 與實際角柱測量點對應(yīng)位置的變形

表2 與底架測量點對應(yīng)位置的變形

4 堆碼工況的試驗分析

4.1 檢驗標(biāo)準(zhǔn)

集裝箱在出廠發(fā)給客戶之前，必須要通過ISO和船級社制定的各種試驗載荷檢驗（如中國船級社），要完全滿足檢驗標(biāo)準(zhǔn)后方可出廠。堆碼試驗工況的試驗?zāi)康摹⑤d荷大小、試驗方法和不同船級社試驗檢驗標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值詳見表3，集裝箱制造廠會按照客戶要求的船級社來對其制造的產(chǎn)品進(jìn)行試驗和檢驗。集裝箱制造廠有時會根據(jù)本公司的具體情況來選擇船級社進(jìn)行檢驗，當(dāng)顧客沒有具體指定何家船級社時。

表3 試驗工況介紹和各家船級社試驗檢驗標(biāo)準(zhǔn)對照表

注：(1) 最大允許變形值需要保證試驗后集裝箱不影響正常使用；(2) *表示相對于底角件下平面的最大允許變形值；

4.2 試驗設(shè)備

主要試驗設(shè)備為集裝箱多功能試驗平臺，如圖8所示的試驗平臺包括：頂部的主油缸，用于堆碼和垂直起吊加載；左側(cè)頂部的橫向推拉油缸，高度可調(diào)，用于集裝箱的橫向剛性試驗；前端頂部的縱向推拉油缸，高度可調(diào)，用于集裝箱的縱向剛性試驗。

4.3 試驗工況加載

加載方式如圖4所示，箱內(nèi)均布載荷：1.8-=17 880 kg，角柱所需施加載荷：12 690 kg/角柱。

持續(xù)時間：5 min。

4.4 試驗結(jié)果

由表4可知按照第一次偏移載荷加載時，端部角柱C1C2的最大變形達(dá)到0.9 mm，端部角柱B1B2的最大變形達(dá)到2.4 mm，都滿足各家船級社檢驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的4 mm。按照各家船級社的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，底側(cè)梁動態(tài)變形不超過底角件下平面6mm即為合格，但因為房屋集裝箱兩側(cè)下平面一般高于底角件下平面30 mm，所以只要動態(tài)變形值不超過36 mm即為合格，所以由表5可知底側(cè)梁的最大變形量為6.2 mm時滿足試驗檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

表4 堆碼第一次試驗結(jié)果

表5 堆碼試驗底架變形

5 結(jié)語

(1)ANSYS仿真結(jié)果中底側(cè)梁最大變形量為5.11 mm，角柱的最大變形量為1.96 mm。試驗結(jié)果為底側(cè)梁最大變形為5.5 mm，角柱最大變形為2.4 mm，二者均滿足檢驗標(biāo)準(zhǔn)。對于此類大型房屋集裝箱產(chǎn)品來說有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好，滿足工程使用要求。

(2)仿真結(jié)果顯示強度滿足要求，這在后續(xù)的實際試驗使用中得到驗證。

(3)應(yīng)用此方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計會大大減少產(chǎn)品設(shè)計周期和研發(fā)資金，對公司以后新型集裝箱產(chǎn)品的開發(fā)具有很重要的作用。

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Static Analysis of Housing Container Based on ANSYS

ZHAO Bo1, YAN Dan2

（1.Dong Fang International Container (Jinzhou) Co., Ltd. Jinzhou 121007, China; 2.Jinzhou Jinheng Autimotive Safety System Co.,Ltd. Jinzhou 121007, China）

In this paper, Creo and ANSYS software is used to simulate and analyze the house module without side walls in housing container buildings for foreign customers, and compared with test data in testbed of Dong Fang International Container (Jinzhou)Co., Ltd. , this structure satisfies the requirement of deformation and strength to provide technical data for subsequent development of similar products.

container; house; ANSYS; FEM

TH123

A

1674-3261(2020)02-0114-03

10.15916/j.issn1674-3261.2020.02.011

2019-07-02

趙博(1985-)，男，遼寧錦州人，高級工程師。

責(zé)任編校：劉亞兵