罐箱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計對罐體強(qiáng)度的影響

中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司 李坤

目前，集裝箱運輸方式得到了廣大客戶的認(rèn)同，運輸品種也由最初的普通干貨發(fā)展到液體、氣體和危險品等各個領(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，罐體承載運輸?shù)慕橘|(zhì)，框架主要是方便運輸、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。

由于考慮到專利或試驗成本的因素，有些制造廠會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)），來避免專利的約束或申請免做型式試驗（特別是罐箱的動態(tài)撞擊試驗）。罐箱的框架強(qiáng)度加強(qiáng)，目前一般會采用兩種方式，其一在原來的結(jié)構(gòu)上，僅對個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，檢驗機(jī)構(gòu)能否認(rèn)為設(shè)計明顯比原設(shè)計加強(qiáng)了，從而認(rèn)可這樣的設(shè)計更改并免除部分試驗項目？下面我們通過對比試驗（此次的試驗采用貼應(yīng)力片的方法，主要是測量試驗中材料的應(yīng)力變化），來說明用第二種方式進(jìn)行加強(qiáng)后，在受到動態(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項目提供參考性意見。

相關(guān)背景

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

改進(jìn)型設(shè)計：考慮到運輸過程對罐體的保護(hù)，要求在原設(shè)計的基礎(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)計一樣（圖2）。

圖1

圖2

計算和型式試驗

靜態(tài)強(qiáng)度試驗：原箱型的罐體參照GB150《鋼制壓力容器》設(shè)計，由于改進(jìn)型的參數(shù)和原箱型一致，無須重新計算。原箱型的靜態(tài)強(qiáng)度試驗項目和結(jié)果均滿足CSC《國際集裝箱安全公約》和中國船級社（CCS）《集裝箱檢驗規(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，而其他的任何結(jié)構(gòu)沒有變化，故同意免除靜態(tài)強(qiáng)度試驗申請。

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

動態(tài)撞擊試驗

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

為了對兩個箱型進(jìn)行對比，所貼的應(yīng)力片基本在兩個箱型的相同部位并進(jìn)行編號，應(yīng)力片所貼的位置是根據(jù)有限元計算認(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。試驗方法分為靜強(qiáng)度試驗和撞擊試驗。

靜強(qiáng)度試驗：將罐體下部的四個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，通過數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)測量各測點的應(yīng)力 （基準(zhǔn)均為空箱狀態(tài)）。

撞擊瞬間

表1 強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)

表2 無底側(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 無底側(cè)梁箱在撞擊速度下的各應(yīng)力測點的應(yīng)力值及與靜強(qiáng)度試驗時垂向靜應(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)力測點的應(yīng)力值及與靜強(qiáng)度試驗時垂向靜應(yīng)力的合成值（單位：MPa）

動態(tài)撞擊試驗：試驗用機(jī)車一臺，撞擊車一臺，被撞擊的集裝箱平車一臺，集裝箱平車上裝有兩臺被測試的罐箱，撞擊車與被撞擊車總重量相同。兩臺罐箱的閥端均向外放置。因此，罐箱的閥端為被撞擊端。先對有下側(cè)梁罐箱進(jìn)行撞擊試驗，采集測試數(shù)據(jù)，測試完成后，將機(jī)車及撞擊車調(diào)到被撞擊平車的另一端，然后對無下下側(cè)梁罐箱進(jìn)行撞擊試驗，采集測試數(shù)據(jù)。撞擊速度從3km/h開始，每次遞增1km/h，直到撞擊速度達(dá)到8km/h為止，每個速度級進(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《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(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)度評定要求。

試驗結(jié)果均符合TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》的要求。為了使數(shù)據(jù)有可比性，特別要求試驗的條件和狀態(tài)應(yīng)一致，撞擊都在底出料口一端，撞擊時的瞬間速度誤差±0.2km/h,同時，沖擊車的重量一致，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)試驗時，無底側(cè)梁的測量點應(yīng)力數(shù)值均大于有側(cè)梁的測量點的應(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，在動態(tài)撞擊試驗時，第11和21點（及左角柱的根部）、13和23點（罐體左側(cè)封頭處），13'和23'點（罐體右側(cè)封頭處），15'和25'點（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)計結(jié)構(gòu)應(yīng)力值高于無底側(cè)梁的結(jié)構(gòu)。

結(jié)果分析

動態(tài)的撞擊試驗：根據(jù)物體碰撞的原理，試驗時被撞擊的罐箱在碰撞的瞬間吸收了沖擊車在一定的速度下所產(chǎn)生的動能（撞擊力），做試驗的罐箱受到撞擊力后，罐箱結(jié)構(gòu)都要受力產(chǎn)生應(yīng)變來釋放撞擊力，同時吸收所撞擊力產(chǎn)生的應(yīng)力值就會出現(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，試驗項目有1.5倍的余量）所產(chǎn)生的變形即為彈性變形，如超過材料的屈服強(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。同時角柱下部在受到撞擊時應(yīng)變被約束同時應(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），而受到撞擊時受到的撞擊力的分布和傳遞沒有變化，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，雖然試驗的數(shù)據(jù)滿足要求，但是不能說是最優(yōu)設(shè)計。罐箱設(shè)計時應(yīng)考慮有一定的柔性方式來釋放應(yīng)力，同時由于罐箱所運輸?shù)慕橘|(zhì)特殊，設(shè)計時還應(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（有時會采用前端下梁設(shè)計一段緩沖區(qū)）。罐箱的應(yīng)力分析計算，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)計的目的。所以在今后的樣箱認(rèn)可時，CCS對于第一種形式的設(shè)計加強(qiáng)及僅對個別較弱的部件增加尺寸，可以同意免除型式試驗，而對于第二種方式的設(shè)計加強(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，這種不確定的改變在受到外力時可能會導(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)定的縱向碰撞試驗是基于結(jié)構(gòu)頻譜響應(yīng)的原理，其與本文所述的國內(nèi)鐵路罐箱碰撞試驗是有區(qū)別的。