水處理箱有限元分析

范　軍,朱永忠（啟東勝獅能源裝備有限公司,江蘇　啟東　226262）

水處理箱有限元分析

范軍,朱永忠
（啟東勝獅能源裝備有限公司,江蘇啟東226262）

本文運(yùn)用了先進(jìn)的有限元分析計(jì)算方法，對(duì)一種水處理集裝箱在裝載工況下的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)存在的問題提出合理的建議，從而改進(jìn)了箱體的結(jié)果，減輕了重量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

水處理 集裝箱；強(qiáng)度；有限元

1　引言

隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，污水的處理顯得越來越重要。利用集裝箱運(yùn)輸便捷性的特點(diǎn)，這里設(shè)計(jì)了一種水處理箱，方便快速到達(dá)污水源，解決緊急情況下的水污染問題。

本文采用有限元分析，對(duì)此水處理集裝箱在滿載情況下進(jìn)行了分析，獲得其整體性能的數(shù)據(jù)，及重要部位的應(yīng)力狀況，從而對(duì)整體的機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

2　優(yōu)化思路

此集裝箱外形尺寸按ISO1AA型設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度12192mm，寬度2438mm，高度2591mm，頂部敞口，其它面封閉。優(yōu)化前，設(shè)計(jì)上為保證箱體的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)事故造成人員和財(cái)產(chǎn)損失，采用偏厚的材料。因此導(dǎo)致自重達(dá)到9.6噸，帶來成本高，生產(chǎn)時(shí)吊裝困難等諸多問題。所以在滿足產(chǎn)品強(qiáng)度和剛度的前提下，要盡量減輕箱體重量。另外，箱體在局部的強(qiáng)度偏低，必須發(fā)現(xiàn)和進(jìn)行加強(qiáng)。

以前集裝箱設(shè)計(jì)以樣品試驗(yàn)來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，樣品花費(fèi)的費(fèi)用和時(shí)間都很大，更致命的是容易產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中失敗，或者不能取得效果明顯的優(yōu)化結(jié)果。借助軟件進(jìn)行有限元分析，我們可以在設(shè)計(jì)開始就了解箱體的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷優(yōu)化的方向和數(shù)值，大量地縮短了開發(fā)周期和降低了研發(fā)成本。

3　模型建立

本次分析采用板殼建模。此產(chǎn)品各零部件絕大部分由不同厚度的板材制成，因此采用板殼模擬是符合實(shí)際的，和實(shí)體單元比較也可以提高計(jì)算速度。質(zhì)量等方面的少許差異工程上忽略了，對(duì)整體性能研究沒有影響。取實(shí)物下底面所在平面為整體坐標(biāo)系的XOZ面，底面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，其中橫向定義為X軸，縱向定義為Z軸，高度方向定義為Y軸，重力方向沿Y軸負(fù)向，三軸正向符合右手定則；模型采用用實(shí)體單元與殼單元結(jié)合，整體模型如圖1所示。模型采用mm,t,N,s單位制。

4　試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，在靜態(tài)下箱體滿載約65立方水，深度約24.3米。自重和靜水壓，靜水壓峰值0.0238532MPa（放滿水時(shí)）,以斜坡函數(shù)加載。

5　計(jì)算結(jié)果

以下是試驗(yàn)中的變形與應(yīng)力分布情況。

從位移分布云圖可以看出，該結(jié)構(gòu)最大變形在頂縱梁的中部，側(cè)板帶著頂縱梁向兩側(cè)張開。頂縱梁最大橫向位移為125mm，位于頂縱梁中部（深紅和深藍(lán)區(qū)域）。頂側(cè)梁最大豎向位移4.4mm。

應(yīng)力云圖中，應(yīng)力超過350MPa的區(qū)域顯示為鐵灰色，表示進(jìn)入塑性變形；深藍(lán)色代表應(yīng)力最小區(qū)域，深紅色代表應(yīng)力接近350MPa的臨界塑性區(qū)域。

由云圖可知，該結(jié)構(gòu)整體處于純彈變形狀態(tài)，僅在局部有點(diǎn)狀和窄帶狀小塑性區(qū)域。主要局部塑性區(qū)域有：波紋板與底縱梁接合處，頂縱梁、頂橫梁與角件、角柱接合處。

進(jìn)一步分析可知，上述小塑性區(qū)域主要應(yīng)力狀態(tài)為受壓，故可以忽略其對(duì)結(jié)構(gòu)影響。

6　結(jié)論

（1）通過分析找到結(jié)果的薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)設(shè)計(jì)工作起指導(dǎo)作用，縮短開發(fā)周期，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；

（2）角柱、端壁、端橫梁和底橫梁等結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中變形和應(yīng)力都很小，通過降低厚度，自重降低約25%。

（3）實(shí)際試驗(yàn)中，產(chǎn)生的彈性變形和本文計(jì)算結(jié)果相近，塑性變形滿足集裝箱標(biāo)準(zhǔn)的要求。

參考資料：

[1]王勖成編著，有限單元法[M]. 北京：清華大學(xué)出版社.

[2]集裝箱標(biāo)準(zhǔn)化手冊(cè)[M]. 全國集裝箱標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).

[3][美]Dary L.Logan著，伍義生.吳永禮等譯．有限元方法基礎(chǔ)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社.