基于有限元分析的集裝箱底板研究

趙從良

摘要：本文引入了有限元軟件中的靜態(tài)分析模型進行處理，對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，進行有限元分析。通過壓力機對板材試樣進行彎曲變形量測試，得到材料的實際彈性模量（影響地板材料所能承受載荷大小的關鍵因素）。通過SolidWorks建立實體模型，然后導入ANSYS進行有限元分析板材在承受載荷時的應力和產生的位移變化。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，最終達到用新型塑材代替原用木材的效果。

關鍵詞：集裝箱底板；有限元分析；優(yōu)化設計；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度，剛度和較好的耐久性，還需要進行特殊的化學防蟲處理，是迄今為止人造板產品中技術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，價格高，而且遇到水和受到潮濕的時候，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)化結構設計。

本文針對前集裝箱底板綜合情況，完成對集裝箱底板的有限元分析，主要研究工作包括：（1）裝箱底板性能測試；（2）集裝箱底板靜態(tài)分析；（3）裝箱底板結構優(yōu)化。

一、集裝箱底板有限元分析基礎理論

有限元法是目前工程技術領域中實用性最強，應用最廣泛的數(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)點連接。本文研究的集裝箱底板是在對底板支架系統(tǒng)進行模擬實際工況計算中，假定叉車開進集裝箱，叉車輪胎跨度180mm，輪胎與底板接觸長度按照20mm進行計算，叉車質量7260Kg，每個輪胎承受重量為3630Kg，將叉車重量等效加載到底板上進行計算。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構實體單元（soild）進行建模。本集裝箱底板結構材料主要為Q235號結構碳素鋼材，彈性模量210GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。ANSYS提供了強大的模型生成功能，能夠通過自底向上的建模方法構建各種有限元模型，本集裝箱底板結構有限元模型如圖1-2所示。

在對集裝箱底板進行有限元分析中，主要模擬叉車在集裝箱內運動時底板支架系統(tǒng)的應力及變形情況。此時，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承載情況，在測試底板材料的彈性模量時，主要進行底板材料彎曲狀態(tài)下的彈性模量測試，并依次進行底板系統(tǒng)的強度有限元計算。

1、材料彈性模量測試數(shù)據：

根據塑料底板三點彎曲試驗作出的應力-應變曲線可以看出，在材料的彈性階段，隨著載荷的增加試樣上的應力呈線性增加，根據最小二乘法得出兩個試樣的彈性模量為1.23GPa和1.27GPa。

2、材料承受彎曲最大應力測試

對兩個試樣分別進行加載直至試樣斷裂破壞，測得兩次試驗的最大載荷數(shù)值為：

試樣1：

試樣2：

3、塑料底板結構破壞測試

為模擬底板實際工況，將底板試樣裝夾在寬度為300mm的夾具上，即兩點固定約束支撐。

試樣1：試樣1斷裂時的極限載荷Ｆｍａｘ＝８．７ｋＮ

試樣2：試樣2斷裂時的極限載荷Ｆｍａｘ＝１１ｋＮ

4、塑料底板支架系統(tǒng)有限元分析

在對底板支架系統(tǒng)進行模擬實際工況計算中，假定叉車開進集裝箱，叉車輪胎跨度180mm，輪胎與底板接觸長度按照20mm進行計算，叉車質量7260Kg，每個輪胎承受重量為3630Kg，將叉車重量等效加載到底板上進行計算。按照叉車在集裝箱內不同位置，將底板系統(tǒng)承載情況分為三種工況，分別進行分析計算。

從計算結果上可以看出，按照叉車重量為7260kg對底板支架系統(tǒng)進行校核，槽鋼材料為Q235，屈服強度為235MPa。在分析有限元計算結果時，在槽鋼兩端的拐角處應力集中，該區(qū)域很小，此處應力不計算在最大應力內。當采用塑料底板時，底板材料的彈性模量僅為1.26GPa，造成直接承載槽鋼的應力明顯提高，各種工況下的槽鋼兩端應力均大于材料的屈服強度，槽鋼中部應力也接近190MPa，此時槽鋼強度不足。當將塑料底板換成木材進行分析計算后，從計算數(shù)據上可以看出，由于木材的彈性模量比塑料的彈性模量高出8～9倍，當叉車在底板上運動時，槽鋼上的應力分布更為均勻，載荷分布到了更多的槽鋼上，各種工況下的槽鋼兩端應力均小于材料的屈服強度，槽鋼中部應力均低于120MPa，此時槽鋼強度足夠。

二、基于有限元分析的集裝箱底板優(yōu)化設計

由于叉車是在底板上運動，所以主要考慮的還是對底板材料的改性，來提高底板的強度。綜合材料的成本和結構的重量自身對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，從而達到優(yōu)化設計的效果。

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。根據材料力學的知識，矩形截面材料的抗彎截面模量公式為：

而單獨對一根鋼筋的抗彎截面模量進行研究，則根據材料力學知識，由于其對中間軸的慣性矩公式為：

得出其抗彎截面模量為：

根據測試的木材試樣數(shù)據得出木材的抗彎截面模量為：

由于鋼筋的許用應力為[？滓]=140～160MPa，而塑料的[？滓]=20MPa左右，所以即使是合成塑材整個底板所承受的壓力可以近似到由鋼筋承受。因為當加有鋼筋時的底板的應力峰值是集中有鋼筋的地方的，而且此峰值遠大于底板截面上任意地方的塑材應力峰值，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。在滿足結構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，然后導入有限元分析計算，得出應力變形圖和位移變形圖。

結果分析：根據有限元分析結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，所產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)分析時做的種種假設，結果更具有可靠性。集裝箱生產企業(yè)技術人員可以在集裝箱底板新產品設計中用有限元分析結果指導樣機試制，樣機做好后進行試驗分析，用分析所得的參數(shù)，對有限元模型再進行修改，使其更符合實際，從而提高有限元分析的精度，根據修改后的分析結果提出集裝箱底板結構動力修改方案，用于指導新產品的批量生產。該方法很容易掌握，對集裝箱底板設計單位和集裝箱使用工程技術人員有一定的幫助。

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