模塊化集裝箱房屋的有限元計(jì)算

王新亮，陶西如

(常熟雅致模塊化建筑有限公司，江蘇 常熟 215500)

模塊化集裝箱房屋的有限元計(jì)算

王新亮，陶西如

(常熟雅致模塊化建筑有限公司，江蘇 常熟 215500)

針對(duì)模塊化集裝箱房屋在建造過程中需要進(jìn)行堆垛和吊裝作業(yè)的問題，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)這兩種工況進(jìn)行建模分析，計(jì)算出這兩種工況下箱體各部位的應(yīng)力應(yīng)變分布。研究結(jié)果表明：主要屈服區(qū)域發(fā)生在頂、底側(cè)梁及角柱與角件連接的地方，分析結(jié)果與實(shí)際情況相符。

模塊化；集裝箱房屋；有限元計(jì)算

0 引言

模塊化集裝箱房屋箱體是為響應(yīng)國家號(hào)召而研發(fā)的模塊化建筑的一款新產(chǎn)品，它綠色環(huán)保，省時(shí)省力，非常靈活多變，相對(duì)傳統(tǒng)住房能提供給住家更多的選擇，是一種又一次撞擊時(shí)尚潮流的建筑體系，為人們帶來更方便的舒適生活。由于模塊化房屋的建造過程中需要經(jīng)歷堆垛、起吊等作業(yè)，故對(duì)箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

針對(duì)上述情況，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行建模分析，以期對(duì)模塊化建筑設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)作用。其主要研究工作包括箱體堆碼試驗(yàn)計(jì)算和箱體吊頂試驗(yàn)計(jì)算這兩項(xiàng)。

1 有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

有限元法是目前工程技術(shù)領(lǐng)域中實(shí)用性最強(qiáng)，應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬方法。有限元分析一般包括將結(jié)構(gòu)離散化并劃分單元；單元分析；集合成整體；數(shù)值求解等步驟[1]。

該模塊化集裝箱房屋模型由集裝箱頂?shù)卓?、角柱和填充墻體組成。填充墻采用C89 mm×50 mm×1.2 mm的鍍鋅輕鋼龍骨組成，且墻上裝有結(jié)構(gòu)板及裝飾層，因此會(huì)有蒙皮效應(yīng)產(chǎn)生。本次建模忽略外圍裝飾層，即不考慮蒙皮效應(yīng)。

該模型的角件采用ABAQUS中的8節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元C3D8R，其余構(gòu)件均采用4節(jié)點(diǎn)的殼單元S4R，其實(shí)體模型圖如圖1所示。計(jì)算方法均采用縮減積分算法Reduced integration。

模型網(wǎng)格劃分方法采用單元類型Quad-dominated，劃分好的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

2 載荷和邊界條件

參照中國船級(jí)社集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范[2]中的試驗(yàn)方法,載荷及邊界條件按表1進(jìn)行。堆碼試驗(yàn)的載荷及邊界條件如圖3所示，吊頂試驗(yàn)的載荷及邊界條件如圖4所示。

表1 模塊化集裝箱箱體載荷工況

表1中,U1，U2，U3分別代表了X，Y，Z方向的位移自由度。

其他參數(shù)輸入如下：

箱體主要材質(zhì)為Q345B，泊松比σ=0.3，設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度為315 MPa，彈性模量E=2.06×105MPa,箱重為120 kN。

3 主要計(jì)算結(jié)果及分析

3.1堆碼試驗(yàn)結(jié)果及分析

堆碼試驗(yàn)中，箱體的整體受力云圖如圖5所示，其最大應(yīng)力值為318.4 MPa。模塊化集裝箱體計(jì)算結(jié)果見表2。從表2可以看出，頂側(cè)梁、底側(cè)梁的強(qiáng)度略高于設(shè)定屈服強(qiáng)度值，底側(cè)梁最大屈服強(qiáng)度為316.8 MPa，但屈服區(qū)域非常小，其應(yīng)力云圖如圖6所示；頂側(cè)梁最大屈服強(qiáng)度為318.4 MPa，屈服區(qū)域同樣非常小，其應(yīng)力云圖如圖7所示。其最大屈服強(qiáng)度的區(qū)域主要發(fā)生在側(cè)梁端部與角件連接的地方，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，這里會(huì)有加強(qiáng)板，角柱處同樣如此。因此，箱體的強(qiáng)度都符合設(shè)計(jì)要求。

左側(cè)(圖5中的1側(cè))頂側(cè)梁、底側(cè)梁的撓度最大為14.12 mm，右側(cè)(圖5中的2側(cè))頂側(cè)梁、底側(cè)梁的撓度最大為8.114 mm，均符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求。

表2 堆碼試驗(yàn)?zāi)K化集裝箱箱體計(jì)算結(jié)果

3.2吊頂試驗(yàn)結(jié)果及分析

吊頂試驗(yàn)中，箱體的整體受力云圖如圖8所示，其最大應(yīng)力值為325.8 MPa。模塊化集裝箱箱體計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可以看出，頂側(cè)梁、底側(cè)梁的強(qiáng)度略高于設(shè)定屈服強(qiáng)度值，底側(cè)梁最大屈服強(qiáng)度為318.3 MPa，但屈服區(qū)域非常小，其應(yīng)力云圖如圖9所示；頂側(cè)梁最大屈服強(qiáng)度為325.8 MPa，屈服區(qū)域同樣非常小，其應(yīng)力云圖如圖10所示。其最大屈服強(qiáng)度的區(qū)域主要發(fā)生在側(cè)梁端部與角件連接的地方，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，這里會(huì)有加強(qiáng)板，角柱處同樣如此。因此，箱體的強(qiáng)度都符合設(shè)計(jì)要求。

左側(cè)(圖8中的1側(cè))頂側(cè)梁、底側(cè)梁的撓度最大為15.25 mm，右側(cè)(圖8中的2側(cè))頂側(cè)梁、底側(cè)梁的撓度最大為8.86 mm，均符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求。

表3 吊頂試驗(yàn)?zāi)K化集裝箱箱體計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

應(yīng)用有限元軟件ABAQUS對(duì)模塊化集裝箱房屋箱體的計(jì)算結(jié)果表明：

(1)箱體整體強(qiáng)度的最大值超出設(shè)定屈服強(qiáng)度，但是屈服區(qū)域很小，主要發(fā)生在頂側(cè)梁、底側(cè)梁及角柱與角件連接的位置。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮到此處的應(yīng)力情況，增加加強(qiáng)板或者采取其他加強(qiáng)方式。

(2)由于沒有考慮到蒙皮效應(yīng)，因此有限元計(jì)算的結(jié)果偏于保守，但仍然滿足了設(shè)計(jì)要求，這與現(xiàn)場實(shí)際情況試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

(3)本文采用的有限元分析方法避免了常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)采用的種種假設(shè)，結(jié)果更具可靠性，對(duì)模塊化集裝箱房屋的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

(4)由于模塊化集裝箱房屋需要經(jīng)歷長途運(yùn)輸作業(yè)或海運(yùn)作業(yè)，因而建議進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行栓固實(shí)驗(yàn)等其他模擬分析。

[1] 趙經(jīng)文，王紅玨.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[2] 中國船級(jí)社.集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2013.

U661.4

A

2017-03-31

王新亮(1984—)，男，設(shè)計(jì)師，主要從事模塊化房屋設(shè)計(jì)方面的工作。