ANSYS屈曲分析在集裝箱上的應用

黃紅珍

[摘 要]集裝箱在進行樣箱試驗時，箱體的局部位置出現(xiàn)起皺和波浪等失穩(wěn)現(xiàn)象，影響集裝箱外觀和使用性能，因此有必要在新箱型設計時進行箱體穩(wěn)定性分析。本文利用有限元軟件ANSYS對集裝箱進行屈曲分析，從而判斷其結構的穩(wěn)定性并進行優(yōu)化設計。

[關鍵詞]集裝箱、樣箱試驗、失穩(wěn)、屈曲分析

中圖分類號：TV663.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）31-0399-02

一、前言

隨著世界經(jīng)濟的增長，集裝箱行業(yè)得到快速發(fā)展，為滿足不同客戶、不同使用環(huán)境和使用工況的要求，必須開發(fā)出新的產(chǎn)品。集裝箱設計人員在進行新型集裝箱設計時，往往依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)，生產(chǎn)制造出一臺樣箱，再通過樣箱試驗來驗證集裝箱結構的強度、剛度和穩(wěn)定性。如果在試驗時，箱體側板、底側梁、角柱等主要受力構件出現(xiàn)彎扭、褶皺、翹曲等失穩(wěn)現(xiàn)象，則試驗不能通過，客戶也不會接受。這就需要將發(fā)生失穩(wěn)的構件拆除、返工、重新制作，甚至整個箱體結構重新設計，所費時間、人力、物力等成本費用太大，因而研究新型集裝箱的穩(wěn)定性尤其重要。

ANSYS軟件是集結構靜力學分析、結構動力學分析、屈曲分析、電磁場分析、流體力學分析、聲場分析于一體的大型通用有限元軟件，利用其屈曲分析模塊可以對集裝箱穩(wěn)定性進行分析。

二、集裝箱試驗要求

集裝箱作為現(xiàn)代物流裝備，適用于國際、國內(nèi)交換中的鐵路、公路、水路運輸以及這些運輸方式之間的聯(lián)運，這就要求集裝箱的強度必須達到ISO 1496系列1集裝箱技術要求和試驗方法規(guī)定。按此規(guī)定新型集裝箱需進行下面剛性試驗：（1）堆碼試驗；（2）從頂角件起吊試驗；（3）從底角件起吊試驗；（4）縱向栓固試驗；（5）端壁強度試驗；（6）側壁強度試驗；（7）頂部試驗；（8）底部強度試驗；（9）橫向剛性試驗；（10）縱向剛性試驗；試驗后由船級社根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，按照標準規(guī)定和要求，審批是否通過。

三、失穩(wěn)的概念及屈曲分析的理論

當結構所受載荷達到某一值時，若增加一微小的增量，則結構的平衡位形將發(fā)生很大的改變，這種現(xiàn)象叫做結構失穩(wěn)或結構屈曲，相應的荷載稱為屈曲載荷或臨界載荷。失穩(wěn)是在載荷沒有實質(zhì)變化的情況下，結構的變形迅速增大，它是瞬間發(fā)生的，后果非常嚴重，因而新型集裝箱的設計除了需保證足夠的強度和剛度外，還需保證其具有必要的穩(wěn)定性。

ANSYS屈曲分析模塊提供兩種分析方法：線性特征值屈曲分析和非線性屈曲分析。

1）線性特征值屈曲分析通過提取使線性系統(tǒng)剛度矩陣奇異的特征值獲得結構的臨界失穩(wěn)載荷及失穩(wěn)模態(tài)，它是以小位移小應變的線彈性理論為基礎的。2）非線性屈曲分析是將線性屈曲特征值求解與增量非線性求解相結合。非線性屈曲分析的基本方法是，在結構上逐步地施加一個恒定的載荷增量，直到解開始發(fā)散為止即載荷達到預期的臨界屈曲載荷。

線性特征值屈曲分析不考慮各種非線性因素和初始缺陷對屈曲失穩(wěn)載荷的影響，計算速度快；非線性屈曲分析則考慮了以往加載過程中各種諸如塑性行為、接觸、大變形響應等非線性因素和初始缺陷，因此非線性屈曲分析可得到更精確的屈曲載荷，但計算所需時間太長。

研究集裝箱的穩(wěn)定性就是為了得到集裝箱在各種試驗工況下，結構開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷及失穩(wěn)形狀，因而只需按線性特征值屈曲分析所得結果，給出一個安全系數(shù)，便可以通過樣箱試驗。

四、集裝箱穩(wěn)定性分析實例

集裝箱箱型結構及試驗工況很多，下面以某箱廠生產(chǎn)制作的一種臺架箱的堆碼試驗工況進行穩(wěn)定性分析。

臺架箱外型尺寸：20×8 ×86”

箱體總重： R=30，480 kg； 箱體自重： T=2，100kg； 箱體載重： P=28，380kg

角柱堆碼值：54，860kg

根據(jù)ISO1496-5系列1平臺式和臺架式集裝箱的技術要求和試驗方法可知，集裝箱做堆碼試驗時，是將集裝箱四個底角件放在同一水平墊塊上，在箱體底架均勻分布1.8R-T砝碼，同時在箱體四個頂角件上進行堆碼加載。實際上箱廠在做此試驗時，通常先將箱體底架上的砝碼裝載好，再對頂角件進行加載，因此，首先計算和驗證的是箱體底架結構的穩(wěn)定性，即僅底架加載，角柱上堆碼暫不加載。

根據(jù)上面描述對集裝箱進行線性特征值屈曲分析，步驟如下：

1）有限元模型建立

此集裝箱材料為SPA-H，鋼材的彈性模量：2.06×105MPa；泊松比：0.3；

箱體由板件拼焊而成，模型單元選用SHELL181板殼單元；

2）邊界條件及加載

邊界條件：固定箱體四個底角件；

加載：在箱體底架加載1.8R-T=52，764kg力，

3）進行屈曲分析

設置模態(tài)提取數(shù)：1

4）讀取計算結果

通過拾取菜單Main Menu→General Postproc→Results Summary可以查看分析計算結果，如圖1所示：

從上圖數(shù)據(jù)可以看到，臨界載荷系數(shù)TIME/FREQ值為0.60233。

根據(jù)公式：臨界載荷=臨界載荷系數(shù)×所加荷載，可以計算出臺架箱底架結構出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象的載荷=0.60233×52，764kg=31，781kg。

通過拾取菜單Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu→DOF Solution→Displacement vector sum，查看失穩(wěn)出現(xiàn)的部位，如圖2所示。

從上圖可知臺架箱加載到31，487kg臨界載荷時，底側梁上翼邊首先發(fā)生失穩(wěn)。

該箱底側梁采用的是折彎型C形件，尺寸為：600x100x100x4.5，即C形梁高600mm，上、下翼邊寬100mm，板厚4.5mm，屬于開口薄壁件。下圖是箱廠樣箱試驗的照片（見圖3），從照片中可以清楚地看到，底架砝碼載荷裝到33T時，底側梁的上翼邊呈現(xiàn)波浪形狀，這與分析計算的結果十分吻合。

5）優(yōu)化設計

利用ANSYS有限元技術，對臺架箱底側梁進行優(yōu)化，分別從底側梁板厚、底側梁結構進行，具體方案如圖4。

按照上述方案進行屈曲分析，計算結果見表1，（為了方便比較，將原結構的數(shù)據(jù)也寫入）。

集裝箱堆碼試驗是驗證滿載的集裝箱在海洋船舶運輸條件下，在箱垛中出現(xiàn)偏碼時的承載能力。ISO1496標準中試驗載荷1.8g的豎向加速度，已經(jīng)考慮到集裝箱在海洋上遇到的最惡劣的條件下船舶的橫搖、縱傾、升沉等極限情況，所以在進行屈曲分析時，臨界載荷安全系數(shù)達到1.1～1.2就可以滿足集裝箱試驗和使用的要求。

考慮到制作成本，臺架箱底側梁按結構2的方案，在底架加載的同時，再在四個頂角件上增加堆碼載荷，計算出臨界載荷安全系數(shù)為1.1083，可以判斷臺架箱在堆碼試驗工況下整體結構的穩(wěn)定性達到要求。

五、總結

1）對于新型集裝箱的設計，線性特征值屈曲分析具有較高的精度；2）瘦高的開口薄壁件在受壓的工況下，容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象；3）增加板厚可以提高結構的臨界載荷，但成本提高很多；4）合理的設計，是提高結構穩(wěn)定性的必要條件。

參考文獻

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