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，再通過樣箱試驗(yàn)來驗(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，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。

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，屬于開口薄壁件。下圖是箱廠樣箱試驗(yàn)的照片（見圖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)果見表1，（為了方便比較，將原結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)也寫入）。

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)

[1] 周炬，蘇金英.ANSYS Workbench有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電版社，2017.

[2] 高小平，劉美香.基于ANSYS程序的結(jié)構(gòu)屈曲分析[J].科技廣場(chǎng)，2004.

[3] 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2015.

[4] 蘇明周，申躍奎.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定原理[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[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.