某型包裝箱有限元分析

劉宇飛 李州

摘要：本文利用三維設(shè)計(jì)軟件建立了某型包裝箱的參數(shù)化實(shí)體模型，包裝箱箱體主體采用玻璃纖維復(fù)合材料，其機(jī)構(gòu)及受力設(shè)計(jì)對(duì)使用、運(yùn)輸及吊裝過(guò)程中安全起著決定性作用。通過(guò)ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行模擬、計(jì)算，得到包裝箱在充氣、運(yùn)輸、起吊等不同工況條件下的應(yīng)力分布和位移分布，有效指導(dǎo)了設(shè)計(jì)過(guò)程，使包裝箱結(jié)構(gòu)更加合理，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

Abstract： This paper uses 3D design software to establish a parametric solid model of a type of packaging box. The main body of the packaging box is made of glass fiber composite material. Its mechanism and mechanical design play a decisive role in the safety during use， transportation and lifting. Through ANSYS finite element analysis software for simulation and calculation， the stress distribution and displacement distribution of the packing box under different working conditions such as inflation， transportation， and lifting are obtained， which effectively guides the design process and makes the packing box structure more reasonable and reaches the design requirements.

關(guān)鍵詞：包裝箱;有限元分析;充氣;運(yùn)輸;起吊

Key words： packing box;finite element analysis;inflation;transportation;lifting

中圖分類號(hào)：TJ410.8;TB482.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）36-0201-03

0? 引言

包裝箱對(duì)裝備產(chǎn)品存儲(chǔ)、地面運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程具有保護(hù)作用。具有防潮密封、防腐蝕、運(yùn)輸過(guò)程的防震保護(hù)和位置固定等功能。本文研究的某型包裝箱采用端開(kāi)蓋方式;箱體以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹(shù)脂為基體材料，采用RTM和真空導(dǎo)入工藝方法制成的樹(shù)脂基復(fù)合材料。該結(jié)構(gòu)中，箱體受力情況和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其設(shè)計(jì)是否合理對(duì)在使用、運(yùn)輸及吊裝過(guò)程中安全起著決定性作用。因此，對(duì)其進(jìn)行有限元分析是十分有必要的。

ANSYS是目前功能最強(qiáng)大的有限元分析軟件之一，功能強(qiáng)大適用范圍廣，可以分析出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移分布[1]-[3]。本文以ANSYS有限元分析軟件為平臺(tái)對(duì)某型包裝箱進(jìn)行有限元分析，得到在充氣、運(yùn)輸、起吊等不同工況條件下應(yīng)力分布和位移分布，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)過(guò)程，達(dá)到符合設(shè)計(jì)要求的目的。

1? 建立有限元分析模型

1.1 實(shí)體模型

某型包裝箱（如圖1所示）主體結(jié)構(gòu)采用玻璃鋼材料，包含箱蓋、箱體等組件。內(nèi)部小車采用Q235材料，導(dǎo)軌采用Q235材料，吊環(huán)與筋板等受力件采用40Cr，導(dǎo)向輪采用尼龍6材料。整個(gè)箱體分為內(nèi)部支撐部分，外部上下兩個(gè)箱體，內(nèi)部支撐由導(dǎo)軌、導(dǎo)向輪組成，用于支撐某型裝備。某型裝備可靠固定于內(nèi)部支撐，并可利用內(nèi)部支撐可以拖出包裝箱外部，靈活移動(dòng)至不同地點(diǎn)。其它部分由筋板、橡膠墊及螺栓等組成。

坐標(biāo)系選取車輛前進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向，豎直向上為Y軸正方向，Z軸（與內(nèi)部支撐橫軸方向一致），以右手法則確定。

1.2 材料屬性

具體材料屬性如表1所示。

箱體兩側(cè)端板主要采用6mm玻璃鋼組成，上箱體與下箱體主要由玻璃鋼組合。內(nèi)部小車包含導(dǎo)軌、支撐等組件，采用2mm、3mm、4mm、6mm等不等厚度Q235或40Cr組成。箱體總重為1600kg，內(nèi)裝物3300kg。

1.3 計(jì)算內(nèi)容

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，箱體整個(gè)內(nèi)表面填充10kPa大氣壓，并靜置。

根據(jù)GJB540.1-1988《飛航導(dǎo)彈強(qiáng)度和剛度規(guī)范 總則》，靜強(qiáng)度計(jì)算包含6個(gè)工況，如表2所示。

1.4 評(píng)估方法

在表2規(guī)定的靜強(qiáng)度工況下，計(jì)算等效應(yīng)力（Von Mises）不得超過(guò)相應(yīng)材料的許用應(yīng)力。根據(jù)材料性能手冊(cè)屈服或彈性強(qiáng)度計(jì)算要求，鋼材母材的許用應(yīng)力取材料的屈服強(qiáng)度的1/7，焊縫許用應(yīng)力與母材許用應(yīng)力相同，玻璃鋼材料許用應(yīng)力同樣選取材料抗拉強(qiáng)度的1/7，如表3所示。

2? 有限元分析

本次計(jì)算使用商業(yè)有限元分析軟件ANSYS，單位選用mm（毫米），t（噸），MPa（兆帕），N（牛頓）。

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)，箱體采用殼單元進(jìn)行模擬，厚度取設(shè)計(jì)值;螺栓連接處采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行簡(jiǎn)化。整個(gè)模型單元大小約為20mm，結(jié)構(gòu)單元共約28.4萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)共約29.4萬(wàn)個(gè)，接觸3對(duì)。有限元模型見(jiàn)圖2～圖3。

2.2 邊界條件

①充氣條件下。對(duì)整個(gè)箱體內(nèi)表面施加10kPa壓強(qiáng)，對(duì)底部平面施加約束全部自由度。

②運(yùn)輸條件下。各工況以加速度形式對(duì)整個(gè)模型施加慣性載荷，對(duì)底部平面約束全部自由度。

③起吊條件下。起吊工況下，將上端掉點(diǎn)位置處進(jìn)行固定，放開(kāi)底部自由度。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

①充氣工況下強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算工況1中各材料應(yīng)力極值位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

如圖4～圖5所示，等效應(yīng)力較大位置主要分布在承載部件及箱體上表面附近等位置。利用系數(shù)最高的部位主要出現(xiàn)在導(dǎo)軌支撐座上，最大利用系數(shù)為0.504。

②運(yùn)輸工況下強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。計(jì)算工況1，工況3，工況5的各材料應(yīng)力極值位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

以工況1為例（如圖6～圖7所示），等效應(yīng)力較大位置主要分布在承載部件及箱體上表面附近等位置。利用系數(shù)最高的部位主要出現(xiàn)在導(dǎo)軌支撐座上，最大等效應(yīng)力為47MPa。

③起吊工況下強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。計(jì)算工況1的各材料應(yīng)力極值位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。

如圖8～圖9所示，等效應(yīng)力較大位置主要分布在承載部件及箱體上表面附近等位置。利用系數(shù)最高的部位主要出現(xiàn)在箱體上表面和導(dǎo)軌支撐座上，最大應(yīng)力為11.9MPa。

3? 結(jié)論

3.1 充氣工況

在充氣工況下，從云圖及計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，在箱體表面上，因內(nèi)部填充氣壓，因此在表面積較大的箱體表面受力較大，但從靜強(qiáng)度工況（箱體）等效應(yīng)力云圖可以分析，并未超出所用許用應(yīng)力值。對(duì)于內(nèi)部導(dǎo)軌支撐部分，從半剖及主要支撐結(jié)構(gòu)上面分析及相關(guān)主應(yīng)力云圖及位移，根據(jù)圖示主要分布在支撐部件與滑動(dòng)梁焊接的部位上面。

3.2 運(yùn)輸工況

在運(yùn)輸工況下，從云圖及計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，在箱體不同載荷條件下，分別加載X方向，Y方向，Z方向不同的加速度極值，主要分布在端蓋兩側(cè)及上箱體部分，但靜強(qiáng)度工況等效應(yīng)力云圖可以分析，并未超出所用許用應(yīng)力值。對(duì)于內(nèi)部導(dǎo)軌支撐部分，從半剖及主要支撐結(jié)構(gòu)上面分析及相關(guān)主應(yīng)力云圖及位移，主要分布在支撐部件與滑動(dòng)梁焊接的部位上面以及導(dǎo)軌上面。

3.3 起吊工況

在起吊工況下，從云圖及計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，在箱體表面上，因吊點(diǎn)位置受重力比較大，因此在起吊過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在起吊點(diǎn)的位置處受力較大，但從靜強(qiáng)度工況（箱體）等效應(yīng)力云圖可以分析，并未超出所用許用應(yīng)力值。對(duì)于內(nèi)部導(dǎo)軌支撐部分，從主要支撐結(jié)構(gòu)上面分析相關(guān)主應(yīng)力云圖及位移，主要分布在支撐部件與滑動(dòng)梁焊接的部位上面。

通過(guò)ANSYS有限元分析軟件對(duì)上述不同工況綜合分析，可以明確包裝箱主要部件受力位置。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、材料性能手冊(cè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及有限元等效應(yīng)力云圖分析，可以判定各部分設(shè)計(jì)均未超出所用許用應(yīng)力值，安全系數(shù)較高，該箱體部件在各條件下均滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際工況對(duì)安全余量較大部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在對(duì)包裝箱重量要求時(shí)，對(duì)包裝箱進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

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