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，并通過有限元分析軟件中的優(yōu)化模塊，進(jìn)行有限元分析。通過壓力機(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，假定叉車開進(jìn)集裝箱，叉車輪胎跨度180mm，輪胎與底板接觸長度按照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，假定叉車開進(jìn)集裝箱，叉車輪胎跨度180mm，輪胎與底板接觸長度按照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題，采用彈性模量高的鋼筋穿插于底板的夾層之間來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。

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