中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司 李坤

目前，集裝箱運(yùn)輸方式得到了廣大客戶的認(rèn)同，運(yùn)輸品種也由最初的普通干貨發(fā)展到液體、氣體和危險(xiǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域，集裝箱的箱型也由普通干貨箱向罐式集裝箱（罐箱）發(fā)展。罐箱主要由罐體和框架兩部分組成，結(jié)構(gòu)設(shè)備和安全附件等，罐體承載運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)，框架主要是方便運(yùn)輸、起吊、堆碼、栓固和保護(hù)罐體而設(shè)，所以罐箱的強(qiáng)度不但要考慮框架、罐體的強(qiáng)度，還要考慮框架和罐體連接的強(qiáng)度。

由于考慮到專(zhuān)利或試驗(yàn)成本的因素，有些制造廠會(huì)在某一成熟的箱型的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部的加強(qiáng)（一般都是在框架的部分進(jìn)行局部加強(qiáng)），來(lái)避免專(zhuān)利的約束或申請(qǐng)免做型式試驗(yàn)（特別是罐箱的動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)）。罐箱的框架強(qiáng)度加強(qiáng)，目前一般會(huì)采用兩種方式，其一在原來(lái)的結(jié)構(gòu)上，僅對(duì)個(gè)別較弱的部件增加尺寸，以達(dá)到加強(qiáng)的效果；其二就是增加加強(qiáng)構(gòu)件數(shù)量（如增加斜撐、腹板和支座等）。不論何種加強(qiáng)方式，表面上看，整體的框架都增強(qiáng)了，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)能否認(rèn)為設(shè)計(jì)明顯比原設(shè)計(jì)加強(qiáng)了，從而認(rèn)可這樣的設(shè)計(jì)更改并免除部分試驗(yàn)項(xiàng)目？下面我們通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)（此次的試驗(yàn)采用貼應(yīng)力片的方法，主要是測(cè)量試驗(yàn)中材料的應(yīng)力變化），來(lái)說(shuō)明用第二種方式進(jìn)行加強(qiáng)后，在受到動(dòng)態(tài)撞擊的瞬間，框架和罐體各部分的應(yīng)力變化，為確定是否免除部分試驗(yàn)項(xiàng)目提供參考性意見(jiàn)。

相關(guān)背景

原箱型設(shè)計(jì)：自重3910kg，罐體通過(guò)8個(gè)折彎板與框架相連，在前后端封頭上各有4個(gè)方管（端部框架結(jié)構(gòu)）與框架相連，無(wú)下側(cè)梁（圖1）。

改進(jìn)型設(shè)計(jì)：考慮到運(yùn)輸過(guò)程對(duì)罐體的保護(hù)，要求在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上兩邊各增加了一根底側(cè)梁，自重增加到4150kg，其他的任何和原設(shè)計(jì)一樣（圖2）。

圖1

圖2

計(jì)算和型式試驗(yàn)

靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)：原箱型的罐體參照GB150《鋼制壓力容器》設(shè)計(jì)，由于改進(jìn)型的參數(shù)和原箱型一致，無(wú)須重新計(jì)算。原箱型的靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)項(xiàng)目和結(jié)果均滿足CSC《國(guó)際集裝箱安全公約》和中國(guó)船級(jí)社（CCS）《集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范》的要求，考慮到改進(jìn)型增加了底側(cè)梁后框架明顯強(qiáng)于原設(shè)計(jì)，而其他的任何結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，故同意免除靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)申請(qǐng)。

動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)：根據(jù)ISO1496-3的要求，運(yùn)輸液體罐箱應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)，考慮到該箱要在中國(guó)鐵路運(yùn)輸，還需滿足中國(guó)鐵路的相關(guān)要求。改進(jìn)的箱型是定型產(chǎn)品，根據(jù)要求必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)。但由于改進(jìn)前的罐箱較輕，考慮到市場(chǎng)的需求（如客戶需要比較輕的罐箱）， 工廠也進(jìn)行了動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)，同時(shí)可以將兩個(gè)箱型進(jìn)行比較，為以后設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范和使用工況的要求，罐箱應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)，以驗(yàn)證罐體與框架的連結(jié)部位及框架，能否滿足靜態(tài)和動(dòng)態(tài)撞擊工況下的強(qiáng)度要求。由于該箱主要將在中國(guó)鐵路上運(yùn)輸，所以按照中國(guó)鐵路的標(biāo)準(zhǔn)（TB/T 1335—1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》）進(jìn)行撞擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用貼應(yīng)力片的方法，試驗(yàn)以6km/h時(shí)應(yīng)力合成為考核結(jié)果。

為了對(duì)兩個(gè)箱型進(jìn)行對(duì)比，所貼的應(yīng)力片基本在兩個(gè)箱型的相同部位并進(jìn)行編號(hào)，應(yīng)力片所貼的位置是根據(jù)有限元計(jì)算認(rèn)為應(yīng)力比較大的部位：如左角柱根部、左底側(cè)梁與左角柱交接處、罐體左側(cè)封頭處、左側(cè)斜撐與左角柱交接處、左側(cè)斜撐與罐體交接處、右角柱根部、右底側(cè)梁與右角柱交接處、罐體右

側(cè)封頭處、右側(cè)斜撐與右角柱交接處、右側(cè)斜撐與罐體交接處等。試驗(yàn)方法分為靜強(qiáng)度試驗(yàn)和撞擊試驗(yàn)。

靜強(qiáng)度試驗(yàn)：將罐體下部的四個(gè)底角件支起至某一高度的水平位置，向罐體充裝代用介質(zhì)（水），滿載后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力 （基準(zhǔn)均為空箱狀態(tài)）。

撞擊瞬間

表1 強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 無(wú)底側(cè)梁撞擊速度下的數(shù)據(jù)（單位：MPa）

表3 有底側(cè)梁撞擊速度下的數(shù)據(jù)（單位：MPa）

表4 無(wú)底側(cè)梁箱在撞擊速度下的各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值及與靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)垂向靜應(yīng)力的合成值（單位：MPa）

表5 有底側(cè)梁箱在撞擊速度下的各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值及與靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)垂向靜應(yīng)力的合成值（單位：MPa）

動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)：試驗(yàn)用機(jī)車(chē)一臺(tái)，撞擊車(chē)一臺(tái)，被撞擊的集裝箱平車(chē)一臺(tái)，集裝箱平車(chē)上裝有兩臺(tái)被測(cè)試的罐箱，撞擊車(chē)與被撞擊車(chē)總重量相同。兩臺(tái)罐箱的閥端均向外放置。因此，罐箱的閥端為被撞擊端。先對(duì)有下側(cè)梁罐箱進(jìn)行撞擊試驗(yàn)，采集測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試完成后，將機(jī)車(chē)及撞擊車(chē)調(diào)到被撞擊平車(chē)的另一端，然后對(duì)無(wú)下下側(cè)梁罐箱進(jìn)行撞擊試驗(yàn)，采集測(cè)試數(shù)據(jù)。撞擊速度從3km/h開(kāi)始，每次遞增1km/h，直到撞擊速度達(dá)到8km/h為止，每個(gè)速度級(jí)進(jìn)行3次以上有效的撞擊（上表得出的數(shù)據(jù)均在撞擊速度為6km/h時(shí)的應(yīng)力數(shù)據(jù)） 。

數(shù)據(jù)處理合成方法按照TB/T 1335—1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中規(guī)定，許用應(yīng)力的選取及安全系數(shù)，按照第一工況強(qiáng)度評(píng)定要求。

試驗(yàn)結(jié)果均符合TB/T 1335—1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的要求。為了使數(shù)據(jù)有可比性，特別要求試驗(yàn)的條件和狀態(tài)應(yīng)一致，撞擊都在底出料口一端，撞擊時(shí)的瞬間速度誤差±0.2km/h,同時(shí)，沖擊車(chē)的重量一致，采集數(shù)據(jù)的設(shè)備精度一致。

數(shù)據(jù)比較

表1的數(shù)據(jù)顯示，靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)，無(wú)底側(cè)梁的測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值均大于有側(cè)梁的測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)值，在靜態(tài)工況下，框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，其對(duì)應(yīng)的總體強(qiáng)度也較高。從表4和表5的數(shù)值比較，在動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)時(shí)，第11和21點(diǎn)（及左角柱的根部）、13和23點(diǎn)（罐體左側(cè)封頭處），13'和23'點(diǎn)（罐體右側(cè)封頭處），15'和25'點(diǎn)（右側(cè)斜撐與罐體交接處）所合成的應(yīng)力值，有下側(cè)梁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值高于無(wú)底側(cè)梁的結(jié)構(gòu)。

結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)的撞擊試驗(yàn)：根據(jù)物體碰撞的原理，試驗(yàn)時(shí)被撞擊的罐箱在碰撞的瞬間吸收了沖擊車(chē)在一定的速度下所產(chǎn)生的動(dòng)能（撞擊力），做試驗(yàn)的罐箱受到撞擊力后，罐箱結(jié)構(gòu)都要受力產(chǎn)生應(yīng)變來(lái)釋放撞擊力，同時(shí)吸收所撞擊力產(chǎn)生的應(yīng)力值就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變，如應(yīng)力值不超出了材料的屈服強(qiáng)度（應(yīng)考慮到一定的安全系數(shù), 與干貨箱合格判定標(biāo)準(zhǔn)不一樣，試驗(yàn)項(xiàng)目有1.5倍的余量）所產(chǎn)生的變形即為彈性變形，如超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，及產(chǎn)成了塑性變形，甚至結(jié)構(gòu)被破壞。

從上表比較，對(duì)于圖2的結(jié)構(gòu)，雖然增加了下側(cè)梁，表面上總體強(qiáng)度是提高了，但力的分布與傳遞也改變了，由此可能造成某些構(gòu)件受力變大，產(chǎn)生的應(yīng)力值也大，及在罐體的封頭與框架的連接處受到的力高于圖1相應(yīng)的部位。同時(shí)角柱下部在受到撞擊時(shí)應(yīng)變被約束同時(shí)應(yīng)力釋放也被約束，故約束大的地方應(yīng)力值也相應(yīng)提高，相應(yīng)的應(yīng)力值高于圖1所對(duì)應(yīng)的相同部位（角柱的根部）。雖然總體的應(yīng)力值小于規(guī)范的要求，卻不能判斷框架加強(qiáng)后，整體的罐箱強(qiáng)度加強(qiáng)，因此，這種加強(qiáng)方式，是不能作為免除型式試驗(yàn)的依據(jù)。 同理，如果案例中的加強(qiáng)方案只是加大了如圖1所示的部分部件（如角柱加大尺寸），而受到撞擊時(shí)受到的撞擊力的分布和傳遞沒(méi)有變化，及受力不變，構(gòu)件尺寸變大，其抗擊變形的能力加大，總體的強(qiáng)度也得到增強(qiáng)。

由此可以看出，雖然試驗(yàn)的數(shù)據(jù)滿足要求，但是不能說(shuō)是最優(yōu)設(shè)計(jì)。罐箱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮有一定的柔性方式來(lái)釋放應(yīng)力，同時(shí)由于罐箱所運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)特殊，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮到在出現(xiàn)非正常工況下，能保證框架先損壞，以達(dá)到保護(hù)罐體的目的（有時(shí)會(huì)采用前端下梁設(shè)計(jì)一段緩沖區(qū)）。罐箱的應(yīng)力分析計(jì)算，其目的之一就是為了保證框架結(jié)構(gòu)本身以及框架與罐體的連接結(jié)構(gòu)，在滿足強(qiáng)度要求的前提下達(dá)到整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。所以在今后的樣箱認(rèn)可時(shí)，CCS對(duì)于第一種形式的設(shè)計(jì)加強(qiáng)及僅對(duì)個(gè)別較弱的部件增加尺寸，可以同意免除型式試驗(yàn)，而對(duì)于第二種方式的設(shè)計(jì)加強(qiáng)及增加加強(qiáng)構(gòu)件數(shù)量（如增加斜撐、腹板和支座等），實(shí)際上框架的受力分布以及框架與罐體的連接部分受力方式已經(jīng)改變，造成部分構(gòu)件承受的應(yīng)力改變，這種不確定的改變?cè)谑艿酵饬r(shí)可能會(huì)導(dǎo)致罐箱某些局部結(jié)構(gòu)失效。值得注意的是，ISO 1496-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的縱向碰撞試驗(yàn)是基于結(jié)構(gòu)頻譜響應(yīng)的原理，其與本文所述的國(guó)內(nèi)鐵路罐箱碰撞試驗(yàn)是有區(qū)別的。