常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司 南京南瑞繼保電氣有限公司 張海龍 潘守文 陳 城

文章以20尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的底框作為研究對(duì)象，對(duì)底框的支撐梁采用兩種不同的布置方式。通過(guò)有限元仿真模擬分析這兩種布置方式下集裝箱整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為集裝箱底框支撐梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

集裝箱產(chǎn)品近些年來(lái)越來(lái)越受到重視，其可作為各種設(shè)備的承載體，箱內(nèi)可放置變壓器、變流器、電池堆、屏柜等，再輔助以空調(diào)、風(fēng)扇等散熱設(shè)備，便可以戶外放置運(yùn)行。集裝箱在整體吊裝和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)受到各種外力的作用，而集裝箱的底框作為主要的受力部件承受了其中大部分外力的作用。同時(shí)集裝箱的其他組成部分，如頂蓋板，側(cè)板，立柱也都依附于底框。然而目前的底框設(shè)計(jì)比較隨意，底框支撐梁如何優(yōu)化布置便成為了一個(gè)問(wèn)題。

1 仿真模型建立

考慮到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的配置以及為了便于劃分網(wǎng)格和分析計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。集裝箱的側(cè)板、箱門，門鎖等并不是影響底框強(qiáng)度的主要因素，因此可以簡(jiǎn)化，以提高仿真效率。圖1為簡(jiǎn)化后的集裝箱框架模型。該集裝箱箱內(nèi)設(shè)備主要為變流器、變壓器、通訊柜、配電柜。實(shí)際模組中只保留整體框架，模型中已去除對(duì)強(qiáng)度影響不大的門板、鉸鏈等。集裝箱箱內(nèi)設(shè)備線纜連接主要通過(guò)底部槽鋼?，F(xiàn)有集裝箱設(shè)計(jì)中，主要有2種底框走線方式，第一種為槽鋼中間開(kāi)孔，線纜從槽鋼中穿過(guò)；第二種為箱體主支撐槽鋼相比設(shè)備支撐槽鋼尺寸更大，這樣設(shè)備支撐槽鋼下方會(huì)多出一部分空間，線纜可以自由布置。圖1為第一種槽鋼開(kāi)孔集裝箱簡(jiǎn)化模型。

圖1 簡(jiǎn)化后的集裝箱框架模型

20尺集裝箱最大外形尺寸為寬6058mm、深2438mm、高2896mm模型中材料屬性：材質(zhì)為Q235，彈性模量為210MPa，泊松比為0.3，材料密度為7850kg/m3。

網(wǎng)格的劃分影響模型有限元分析的結(jié)果，過(guò)細(xì)的網(wǎng)格劃分，往往會(huì)造成結(jié)果計(jì)算緩慢。本文主要是對(duì)比兩種底框結(jié)構(gòu)形式下的集裝箱整體強(qiáng)度，變量?jī)H為底框支撐梁結(jié)構(gòu)，其余控制變量。集裝箱整體簡(jiǎn)化后，使用自由網(wǎng)格劃分，可以方便快捷的得到集裝箱網(wǎng)格處理結(jié)果。

2 仿真工況

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用情況，將集裝箱底框的結(jié)構(gòu)形式分為兩種。方案A：底框支撐均為16號(hào)槽鋼，槽鋼上需開(kāi)設(shè)大量的過(guò)線孔；方案B：底框最外側(cè)一圈4條20號(hào)槽鋼，左側(cè)變壓器艙11條20號(hào)槽鋼，其余全部布置12號(hào)槽鋼。方案B相對(duì)于方案A，由于部分槽鋼高度減小，減小的空間有利于現(xiàn)場(chǎng)電纜布線。以上兩種集裝箱總重接近，分別對(duì)集裝箱靜態(tài)吊裝和靜態(tài)平地放置進(jìn)行分析。

工況一：靜態(tài)吊裝分析

圖2 方案A吊裝受力示意

在集裝箱四個(gè)吊點(diǎn)的頂端面施加固定約束B(niǎo)，集裝箱受整體重力影響。圖中A標(biāo)識(shí)為施加的重心加速度9806.6mm/s2，C和D標(biāo)識(shí)為底框各位置受力4000N。方案B采用同樣的方式。

工況二：靜態(tài)平地放置分析

圖3 方案A平地靜態(tài)放置受力示意

在集裝箱底部的四個(gè)角件底端面設(shè)置固定約束D，其中A標(biāo)識(shí)為施加的重心加速度9806.6mm/s2，C和D標(biāo)識(shí)為底框各位置受力4000N。方案B采用同樣的方式。

3 仿真結(jié)果對(duì)比

工況一靜態(tài)吊裝情況下，方案A和方案B的變形量云圖分別為圖4和圖5所示。

圖4 工況一靜態(tài)吊裝情況下方案A的變形量云圖

圖5 工況一靜態(tài)吊裝情況下方案B的變形量云圖

工況二靜態(tài)平地放置情況下，方案A和方案B的變形量云圖分別為圖6和圖7所示。

圖6 工況二靜態(tài)平地放置情況下方案A的變形量云圖

圖7 工況二靜態(tài)平地放置情況下方案B的變形量云圖

兩種工況下的集裝箱主要變形量普遍都集中在中間底框位置。

工況一靜態(tài)吊裝情況下，方案A和方案B的應(yīng)力云圖分別為圖8和圖9所示。

圖8 工況一靜態(tài)吊裝情況下方案A的應(yīng)力云圖

圖9 工況一靜態(tài)吊裝情況下方案B的應(yīng)力云圖

工況二靜態(tài)平地放置情況下，方案A和方案B的應(yīng)力云圖分別為圖10和圖11所示。

圖10 工況二靜態(tài)平地放置情況下方案A的應(yīng)力云圖

圖11 工況二靜態(tài)平地放置情況下方案B的應(yīng)力云圖

兩種工況下的集裝箱的主要應(yīng)力分布比較接近，應(yīng)力云圖無(wú)法明顯判斷兩種集裝箱的區(qū)別。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，整理出兩種集裝箱不同工況下的最大應(yīng)力和最大變形量，如表1和表2所示。

表1 最大應(yīng)力(MPa)

表2 最大變形量(mm)

仿真結(jié)果表明，底框結(jié)構(gòu)形式不同的兩種集裝箱強(qiáng)度，從最大應(yīng)力和最大變形量對(duì)比來(lái)看差別不大，但是方案B即底框支撐梁減少開(kāi)孔，并替換為小號(hào)槽鋼的設(shè)計(jì)，在一定程度上減小了應(yīng)力和變形量。

結(jié)論：通過(guò)對(duì)兩種底框結(jié)構(gòu)的集裝箱進(jìn)行吊裝和平地靜置受力分析，計(jì)算出這兩種工況下的最大應(yīng)力和最大變形量。從云圖來(lái)看，兩種集裝箱不同工況下的應(yīng)力和變形量都比較接近，從仿真結(jié)果來(lái)看，底框過(guò)線孔較多對(duì)箱體的結(jié)構(gòu)有一定影響。將開(kāi)孔多的大號(hào)整根槽鋼替換為多根無(wú)開(kāi)孔的小號(hào)槽鋼，集裝箱整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)有改善，經(jīng)濟(jì)性也會(huì)更好。