基于ANSYS的房屋集裝箱靜力分析

趙 博，閆 單

基于ANSYS的房屋集裝箱靜力分析

趙 博1，閆 單2

（1.東方國(guó)際集裝箱（錦州）有限公司，遼寧 錦州 121007; 2.錦州錦恒汽車安全系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 錦州 121007）

用Creo和ANSYS軟件為國(guó)外客戶定制的房屋集裝箱建筑群中的無(wú)側(cè)墻房屋箱模塊進(jìn)行了模擬分析研究，并與東方國(guó)際集裝箱(錦州)有限公司試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后得出此種結(jié)構(gòu)滿足變形和強(qiáng)度要求，為后續(xù)相似產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)資料。

集裝箱；房屋；ANSYS；有限元

房屋集裝箱具有無(wú)污染，建造時(shí)間短，運(yùn)輸方便等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)一些學(xué)者和企業(yè)在集裝箱建筑的綠色發(fā)展、低碳環(huán)保、節(jié)能效率等方面進(jìn)行了大量研究，以此來(lái)促進(jìn)我國(guó)房屋集裝箱產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[1-7]。由于房屋集裝箱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包含很多梁柱結(jié)構(gòu)和板殼結(jié)構(gòu)，采用單純的理論計(jì)算難以計(jì)算出各個(gè)部位的變形量，這會(huì)為后續(xù)裝修工作中預(yù)留伸縮縫和選擇材料帶來(lái)很大的難度，但采用ANSYS有限元軟仿真計(jì)算可以很好的解決此類問(wèn)題。

1 模型的建立

無(wú)側(cè)墻箱模塊的箱體外部尺寸為12 192 mm×2 438 mm×2 896 mm，主要由角件、門連窗結(jié)構(gòu)、頂側(cè)梁、角柱、隔墻立柱、混凝土板包邊料等結(jié)構(gòu)組成。除角件和混凝土板外，其余結(jié)構(gòu)均為薄壁型材和鈑金件，具體如圖1所示。

圖1 無(wú)側(cè)墻箱模塊結(jié)構(gòu)圖

在房屋集裝箱的運(yùn)輸和安裝使用過(guò)程中，主體結(jié)構(gòu)的變形和強(qiáng)度是客戶主要關(guān)心問(wèn)題，因而主要是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行細(xì)致的分析是工作中的重點(diǎn)。房屋集裝箱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以要構(gòu)建十分準(zhǔn)確的模型是非常繁瑣的，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化不僅可以提高網(wǎng)格質(zhì)量而且可以提高效率，比如將角柱底部封板、防撞槽鋼封板、擋水屋檐等不影響安全性的零件去掉等，這樣可以大幅度的降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，采用creo軟件建立的無(wú)側(cè)墻房屋箱模塊模型如圖2所示。本文對(duì)角件和混凝土墻板模型采用20節(jié)點(diǎn)的Solid186單元；其它薄壁鈑金件簡(jiǎn)化為面體，采用4節(jié)點(diǎn)Shell181單元。角件材質(zhì)設(shè)置為SCW480，其彈性模量為2.06e11Pa，泊松比為0.27；混凝土板材質(zhì)設(shè)置為Concrete，其彈性模量為3e10Pa，泊松比為0.18；鈑金件材質(zhì)設(shè)置為Corten A鋼，其彈性模量為2.06e11Pa，泊松比為0.27，屈服強(qiáng)度為343 MPa。

圖2 無(wú)側(cè)墻模塊模型

2 網(wǎng)格劃分

細(xì)密的、高質(zhì)量的網(wǎng)格可以使計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)，但計(jì)算速度較慢。粗糙的、低質(zhì)量的網(wǎng)格可以使計(jì)算速度加快，但計(jì)算結(jié)果的精度會(huì)降低，因此房屋集裝箱模型的網(wǎng)格質(zhì)量將直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算速度，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)權(quán)衡其中的利與弊[8-9]。對(duì)于房屋集裝箱這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，為了使網(wǎng)格較為規(guī)整，可以對(duì)每個(gè)零件整體設(shè)置一個(gè)單元尺寸，如將面體單元尺寸設(shè)置為20 mm，將實(shí)體單元設(shè)置為30 mm等，然后在關(guān)心的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)最后將無(wú)側(cè)墻模塊模型劃分為132 875個(gè)節(jié)點(diǎn)，76 231個(gè)單元，其中接觸單元9 768個(gè)，實(shí)體單元66 463個(gè)，有限元模型如圖3所示。

圖3 無(wú)側(cè)墻有限元模型

3 堆碼工況的有限元計(jì)算

堆碼是為了檢驗(yàn)裝滿貨物的集裝箱在海洋中行駛和在碼頭、貨運(yùn)堆場(chǎng)堆碼時(shí)，在靜載和動(dòng)載的情況下，特別是在堆箱中出現(xiàn)偏碼的情況下最下層集裝箱的承載能力。

本文僅對(duì)該工況結(jié)構(gòu)相對(duì)較薄弱的無(wú)側(cè)墻模塊進(jìn)行了分析，無(wú)側(cè)墻模塊施加載荷如圖4所示。

3.1 載荷

試驗(yàn)方法：液壓缸通過(guò)頂角件對(duì)角柱施加垂直壓載。最大總重：=14 100 kg，自重：=7 500 kg，載重：=6 600 kg；箱內(nèi)均布載荷：1.8-=17 880 kg，作用在底架上表面，方向?yàn)樨Q直向下；外載荷：12 690 kg/角柱，作用在每個(gè)頂角件上表面，方向?yàn)樨Q直向下。

3.2 約束

將房屋集裝箱一端底部角件的自由度進(jìn)行全部約束，將房屋集裝箱另一端的底部角件僅約束沿箱高方向的位移，將其簡(jiǎn)化為類簡(jiǎn)支梁約束。

圖5 測(cè)量位置的Z方向變形云圖

3.3 計(jì)算結(jié)果

圖5為與船級(jí)社試驗(yàn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)應(yīng)位置的Z方向變形云圖，從圖5中可以知道有側(cè)墻模塊整箱豎直方向的最大變形量為5.55 mm。與實(shí)際角柱測(cè)量點(diǎn)相對(duì)應(yīng)位置的變形值詳見(jiàn)表1，與底架測(cè)量點(diǎn)相對(duì)應(yīng)位置的變形值詳見(jiàn)表2。圖6為房屋集裝箱無(wú)側(cè)墻模塊等效應(yīng)力云圖，從圖6中可以知道有側(cè)墻模塊整箱的最大等效應(yīng)力為181.2 MPa。因?yàn)殇摬牟馁|(zhì)為集裝箱專用Corten A鋼，屈服強(qiáng)度為343 MPa，所以強(qiáng)度合格。

3.4 分析

由以上分析結(jié)果可知，房屋集裝箱端部角柱的最大變形量都小于試驗(yàn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)4 mm的要求，其中角柱B1B2的最大變形量為1.96 mm，角柱C1C2的最大變形量為0.76 mm，具體數(shù)值詳見(jiàn)表1和表3。

在船級(jí)社的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中要求底側(cè)梁動(dòng)態(tài)變形不超過(guò)底角件下平面6 mm為合格，但由于房屋集裝箱兩側(cè)下平面一般高于底角件下平面30 mm，所以只要?jiǎng)討B(tài)變形值不超過(guò)36 mm即為合格，分析結(jié)果中底側(cè)梁的最大變形為5.01 mm，底架中間的底橫梁的最大變形為5.55 mm，底側(cè)梁和底橫梁的變形值均小于限定要求，滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)值詳如表2和表3所示。

圖6 無(wú)側(cè)墻模塊-應(yīng)力云圖

表1 與實(shí)際角柱測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的變形

表2 與底架測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的變形

4 堆碼工況的試驗(yàn)分析

4.1 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

集裝箱在出廠發(fā)給客戶之前，必須要通過(guò)ISO和船級(jí)社制定的各種試驗(yàn)載荷檢驗(yàn)（如中國(guó)船級(jí)社），要完全滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)后方可出廠。堆碼試驗(yàn)工況的試驗(yàn)?zāi)康摹⑤d荷大小、試驗(yàn)方法和不同船級(jí)社試驗(yàn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值詳見(jiàn)表3，集裝箱制造廠會(huì)按照客戶要求的船級(jí)社來(lái)對(duì)其制造的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)和檢驗(yàn)。集裝箱制造廠有時(shí)會(huì)根據(jù)本公司的具體情況來(lái)選擇船級(jí)社進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)顧客沒(méi)有具體指定何家船級(jí)社時(shí)。

表3 試驗(yàn)工況介紹和各家船級(jí)社試驗(yàn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表

注：(1) 最大允許變形值需要保證試驗(yàn)后集裝箱不影響正常使用；(2) *表示相對(duì)于底角件下平面的最大允許變形值；

4.2 試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備為集裝箱多功能試驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示的試驗(yàn)平臺(tái)包括：頂部的主油缸，用于堆碼和垂直起吊加載；左側(cè)頂部的橫向推拉油缸，高度可調(diào)，用于集裝箱的橫向剛性試驗(yàn)；前端頂部的縱向推拉油缸，高度可調(diào)，用于集裝箱的縱向剛性試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)工況加載

加載方式如圖4所示，箱內(nèi)均布載荷：1.8-=17 880 kg，角柱所需施加載荷：12 690 kg/角柱。

持續(xù)時(shí)間：5 min。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知按照第一次偏移載荷加載時(shí)，端部角柱C1C2的最大變形達(dá)到0.9 mm，端部角柱B1B2的最大變形達(dá)到2.4 mm，都滿足各家船級(jí)社檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的4 mm。按照各家船級(jí)社的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，底側(cè)梁動(dòng)態(tài)變形不超過(guò)底角件下平面6mm即為合格，但因?yàn)榉课菁b箱兩側(cè)下平面一般高于底角件下平面30 mm，所以只要?jiǎng)討B(tài)變形值不超過(guò)36 mm即為合格，所以由表5可知底側(cè)梁的最大變形量為6.2 mm時(shí)滿足試驗(yàn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 堆碼第一次試驗(yàn)結(jié)果

表5 堆碼試驗(yàn)底架變形

5 結(jié)語(yǔ)

(1)ANSYS仿真結(jié)果中底側(cè)梁最大變形量為5.11 mm，角柱的最大變形量為1.96 mm。試驗(yàn)結(jié)果為底側(cè)梁最大變形為5.5 mm，角柱最大變形為2.4 mm，二者均滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于此類大型房屋集裝箱產(chǎn)品來(lái)說(shuō)有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，滿足工程使用要求。

(2)仿真結(jié)果顯示強(qiáng)度滿足要求，這在后續(xù)的實(shí)際試驗(yàn)使用中得到驗(yàn)證。

(3)應(yīng)用此方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)會(huì)大大減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和研發(fā)資金，對(duì)公司以后新型集裝箱產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有很重要的作用。

[1] 劉葉. 集裝箱組合房屋墻板的抗剪及抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2013.

[2] 孫海燕, 馬嘉啟. 關(guān)于框架式集裝箱的分析研究[J]. 科技與創(chuàng)新, 2018(14): 97-98.

[3] 李英磊, 馬榮奎, 李元齊. 集裝箱模塊化組合房屋單體縱向抗側(cè)剛度及承載力數(shù)值分析[J]. 建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展, 2014, 16(1): 28-33, 41.

[4] 查曉雄, 左洋, 劉樂(lè). 多體房屋集裝箱縱向剛度的理論和有限元研究[J]. 建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展, 2014, 16(4): 24-28.

[5] 中國(guó)船級(jí)社. 集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范[S]. 2012: 41-47.

[6] DAVIES J M, BRYAN E R. Manual of stressed skin diaphragm design [M]. Wiley, 1982: 89-93.

[7] GIRIUNAS K, SEZEN H, DUPAIX R B. Evaluation, modeling, and analysis of shipping container building structures [J]. Engineering Structures, 2012,43: 48-57.

[8] 張志康, 韓鈺, 林焰, 等. 結(jié)構(gòu)有限元模型局部細(xì)網(wǎng)格快速生成方法[J]. 船舶與海洋工程, 2017, 33(6): 66-70.

[9] 施麗娟, 崔維成. 集裝箱船艙口角隅應(yīng)力集中系數(shù)的有限元分析的精度[J]. 中國(guó)造船, 2003, 44(1): 31-38.

Static Analysis of Housing Container Based on ANSYS

ZHAO Bo1, YAN Dan2

（1.Dong Fang International Container (Jinzhou) Co., Ltd. Jinzhou 121007, China; 2.Jinzhou Jinheng Autimotive Safety System Co.,Ltd. Jinzhou 121007, China）

In this paper, Creo and ANSYS software is used to simulate and analyze the house module without side walls in housing container buildings for foreign customers, and compared with test data in testbed of Dong Fang International Container (Jinzhou)Co., Ltd. , this structure satisfies the requirement of deformation and strength to provide technical data for subsequent development of similar products.

container; house; ANSYS; FEM

TH123

A

1674-3261(2020)02-0114-03

10.15916/j.issn1674-3261.2020.02.011

2019-07-02

趙博(1985-)，男，遼寧錦州人，高級(jí)工程師。

責(zé)任編校：劉亞兵