基于ANSYS的集裝箱底架槽鋼優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 峻，高建和

（1.江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225101；2.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引言

集裝箱的底架和底板承擔(dān)了運(yùn)輸過程中絕大多數(shù)的載荷，集裝箱底板支架系統(tǒng)由多塊底板及支架槽鋼構(gòu)成，其載荷主要包括集裝箱在裝卸、起吊及運(yùn)輸過程中貨物的質(zhì)量、貨物及集裝箱在吊裝時(shí)的慣性力以及由于運(yùn)輸工具在崎嶇路面行駛引起的振動(dòng)等作用。因此，對于底架和底板都有一定的強(qiáng)度和剛度以及穩(wěn)定性要求，以保證貨物運(yùn)輸?shù)陌踩?］。

1 底架槽鋼對底板變形的影響

叉車在集裝箱內(nèi)部作業(yè)時(shí)，貨物及叉車的重量通過底板傳遞到底架槽鋼，底架槽鋼與箱體焊接在一起［2］。當(dāng)采用塑料底板時(shí)，由于塑料底板彈性模量低，載荷難以較平均地分擔(dān)到每個(gè)槽鋼上，造成底板變形及局部支撐槽鋼應(yīng)力較大。

現(xiàn)以底板變形最大的工況（即底板由兩塊1 200 mm×2 320 mm的板沿集裝箱寬度方向布置，且小車輪胎偏離底板中線450 mm的情況）進(jìn)行分析，如圖1所示。在不改變塑料底板性能的情況下，通過改變底架槽鋼的厚度及槽鋼間距，考察其對底板最大變形的影響。

集裝箱底架支撐采用U型槽鋼，將槽鋼間距作為變量，保持其他結(jié)構(gòu)尺寸不變，槽鋼間距從300 mm逐步變化為200 mm，分析得到其與底板最大變形之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，底板最大變形隨著槽鋼間距的減小而減小。槽鋼間距由300 mm減小到200 mm，底板最大變形從13.44 mm減小為6.77 mm。槽鋼間距為200 mm時(shí)底板的變形及應(yīng)力云圖和底架槽鋼應(yīng)力云圖如圖3所示。

集裝箱底板兩端及拼接處槽鋼厚度為4.5 mm，中間槽鋼厚度為4 mm，等厚度結(jié)構(gòu)。集裝箱底板沿寬度方向布置，小車在偏離中心情況下，選取槽鋼厚度為變量且逐漸增大，經(jīng)有限元分析得到槽鋼厚度與底板最大變形之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖1 底板變形最大的工況示意圖（小車兩輪偏離底板中線450 mm）

圖2 槽鋼間距與底板最大變形關(guān)系曲線

由圖4可知，底板最大變形隨槽鋼厚度的增大而減小。整體最大變形隨槽鋼厚度的變化近似于線性關(guān)系，槽鋼厚度由4 mm變化為12 mm時(shí)，底板最大變形從13.44 mm減小到7.14 mm，變化了6.3 mm。槽鋼厚度為12 mm時(shí)底板的變形及應(yīng)力云圖和底架槽鋼應(yīng)力云圖如圖5所示。

通過以上分析可知，增大底架槽鋼厚度或減小槽鋼間距可使底板剛度有所提高，但盲目增大厚度及減小間距，對集裝箱的整體性能有影響，即增加了集裝箱質(zhì)量及制造成本。因此，對底架槽鋼及底板性能還需進(jìn)行優(yōu)化，以滿足使用要求。

圖3 槽鋼間距200 mm時(shí)的分析結(jié)果

圖4 槽鋼厚度與底板最大變形關(guān)系曲線

2 底架槽鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 底架優(yōu)化模型

通過小車滾壓模擬分析可知現(xiàn)有塑料底板變形較大，且支架槽鋼強(qiáng)度不足，則塑料底板投入使用還需進(jìn)行優(yōu)化。若用塑料材料生產(chǎn)新集裝箱，可以通過調(diào)整支架槽鋼的間距以及槽鋼的厚度等進(jìn)行優(yōu)化。

利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）建立底板及底架模型，選取設(shè)計(jì)變量，以底架槽鋼質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，底板變形量為約束條件［3］，采用底板沿寬度方向布置，小車兩輪偏離中心位置的工況進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.1.1 優(yōu)化變量

通過優(yōu)化底架槽鋼的尺寸從而滿足使用要求來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，選取4個(gè)優(yōu)化變量，如圖6所示。設(shè)計(jì)參數(shù)的基本情況見表1。

圖5 槽鋼厚度12 mm時(shí)的分析結(jié)果

圖6 槽鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)的基本情況

2.1.2 約束條件

在小車滾壓受力情況下，底架槽鋼應(yīng)力及底板最大變形是設(shè)計(jì)中主要考慮的參數(shù)，因此將此應(yīng)力及底板變形作為約束條件。其中，底架槽鋼最大應(yīng)力不超過160 MPa，底板最大變形不超過最大允許變形［Umax］＝3.89 mm。

2.1.3 目標(biāo)函數(shù)

本文主要對底架槽鋼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足底板變形及底架槽鋼強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上減少材料，節(jié)約成本，將底架槽鋼質(zhì)量最小作為目標(biāo)函數(shù)。

2.2 優(yōu)化分析結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化迭代分析，得到的各設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如下：A＝159.77 mm，T1＝5.52 mm，T2＝2.63 mm，H＝149.52 mm。底板最大變形及槽鋼質(zhì)量迭代過程如圖7、圖8所示。

在底板變形滿足使用要求的前提下，底架槽鋼質(zhì)量最小為201.75 kg，但相比原有底架結(jié)構(gòu)，槽鋼質(zhì)量有所增加。

圖7 底板最大變形迭代曲線

3 結(jié)語

塑料底板彈性模量低，導(dǎo)致底板變形大且支架槽鋼應(yīng)力不足。在不改變底板結(jié)構(gòu)、參數(shù)的情況下，對底架槽鋼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以槽鋼的厚度、高度、槽鋼間距為設(shè)計(jì)變量，底架槽鋼質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，底板變形量為約束條件，采用底板沿寬度方向布置，小車偏離中心位置的工況進(jìn)行優(yōu)化分析。通過優(yōu)化分析得到在滿足底板使用要求前提下槽鋼的尺寸，且使其質(zhì)量最小。

圖8 槽鋼質(zhì)量迭代曲線

［1］ 何長江.基于ANSYS的干貨集裝箱力學(xué)性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2010：2.

［2］ 許斌.OSB－單板復(fù)合集裝箱底板剛度模型及工藝研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2008：12－13.

［3］ 蔡新，郭興文，張旭明.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.