20英尺罐式集裝箱下側(cè)粱失穩(wěn)原因及優(yōu)化設(shè)計方案

呂學(xué)魯　王淑霞

近年來，隨著多式聯(lián)運的發(fā)展，液體貨物罐式集裝箱（以下簡稱“罐箱”）的市場需求量越來越大。在罐箱設(shè)計過程中，既要考慮罐箱運輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性，又要考慮罐箱運輸?shù)陌踩?。下?cè)梁作為罐箱框架結(jié)構(gòu)的重要部件之一，對確保罐箱運輸安全具有重要作用。本文分析20 英尺罐箱下側(cè)梁在外部縱向栓固試驗中發(fā)生旁彎變形現(xiàn)象的原因，并提出下側(cè)梁優(yōu)化設(shè)計方案，以期為此類罐箱的設(shè)計生產(chǎn)提供參考。

1 20英尺罐箱下側(cè)梁失穩(wěn)現(xiàn)象

20英尺罐箱主要由框架和罐體組成（見圖1），其下側(cè)梁原設(shè)計方案如下：采用符合GB/T 6723-2017《通用冷彎開口型鋼》的自制冷彎等邊槽鋼（截面尺寸為150 mmx80 mmx4mm），開口端面等距離均勻設(shè)置勁肋，材質(zhì)為符合GB/T 1591-2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的 Q355D，由2段拼接而成。此方案符合罐箱輕量化、重載化設(shè)計理念，能在有效減輕罐箱自身質(zhì)量的同時提升載運能力，有利于增強(qiáng)罐箱的市場競爭力。

罐箱在批量生產(chǎn)前需要按照船級社要求通過各項技術(shù)試驗認(rèn)證，其中包括外部縱向栓固試驗。如圖2所示，設(shè)罐箱額定總質(zhì)量為R，罐箱自身質(zhì)量為T，重力加速度為g，外部縱向栓固試驗的加載方式如下：往罐箱內(nèi)裝入相當(dāng)于R-T的均布載荷，通過箱體同一端的2個底角件的底孔將罐箱栓固在水平支座上，并通過另一端的2個底角件的底孔同時施加相當(dāng)于2xRxg的縱向水平力，先推后拉。在對20英尺罐箱實施外部縱向栓固試驗的過程中，當(dāng)推力達(dá)到0.36x2xRxg時，下側(cè)梁發(fā)生明顯的彎曲變形（見圖3）;如果繼續(xù)施加推力至2xRxg，很有可能導(dǎo)致罐箱整體失穩(wěn)垮塌。

2 20英尺罐箱下側(cè)梁失穩(wěn)原因

根據(jù)外部縱向栓固試驗加載方式，計算原設(shè)計方案下的20英尺罐箱下側(cè)梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2.1 強(qiáng)度計算

利用有限元分析軟件建立原設(shè)計方案下的20英尺罐箱有限元模型（見圖4），共劃分網(wǎng)格53 409個、節(jié)點52 793個。罐箱一端2個底角件底面施加位移全約束，另一端2個底角件底面施加垂向位移約束，底角件縱向外端面各施加相當(dāng)于Rxg的推力。通過在罐體內(nèi)施加液體梯度的形式加載載荷R-T，并通過施加相當(dāng)于垂向重力加速度的慣性加速度加載罐箱自重載荷。

如圖5所示：罐箱側(cè)梁整體應(yīng)力小于許用應(yīng)力236 MPa。如圖6所示：罐箱下側(cè)梁整體薄膜應(yīng)力小于許用應(yīng)力195 MPa;一次局部薄膜應(yīng)力最大值為275 MPa，小于許用應(yīng)力294 MPa。如圖7所示：罐箱下側(cè)梁與底角件連接處的應(yīng)力為一次加二次應(yīng)力，其最大值為300 MPa，小于許用應(yīng)力585 MPa。由此可見，原設(shè)計方案下的20英尺罐箱下側(cè)梁滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。

2.2 穩(wěn)定性計算

利用有限元分析軟件計算原設(shè)計方案下的20英尺罐箱下側(cè)梁屈曲載荷。按上述加載方式加載，打開預(yù)應(yīng)力選項，分析靜強(qiáng)度，求解結(jié)束后進(jìn)行特征值屈曲分析。由表1和圖8可知：在外部縱向栓固試驗條件下，當(dāng)縱向力達(dá)到0.473 53x2xRxg時，罐箱下側(cè)梁發(fā)生屈曲，無法滿足穩(wěn)定性設(shè)計要求。實際失穩(wěn)推力小于有限元模擬計算結(jié)果的主要原因是：原設(shè)計方案下的20英尺罐箱下側(cè)梁在制造過程中已產(chǎn)生一定程度的彎曲，且拼接焊縫處存在應(yīng)力集中，從而對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成不利影響。

3 20英尺罐箱下側(cè)梁優(yōu)化設(shè)計方案及效果

3.1 優(yōu)化設(shè)計方案

針對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，可采取以下兩種優(yōu)化設(shè)計方案：方案一是嚴(yán)格控制板件的寬厚比（截面板件平直段的寬度與厚度的比值）和構(gòu)件的長細(xì)比（構(gòu)件計算長度與構(gòu)件截面回轉(zhuǎn)半徑的比值），從而避免局部失穩(wěn)并確保整體穩(wěn)定;方案二是盡量采用軸心受力構(gòu)件，從而使構(gòu)件截面應(yīng)力均勻分布。根據(jù)試驗情況分析，方案一作用不大，故采用方案二，具體措施如下：選用軸心受壓構(gòu)件，采用符合GB/T 6728-2017《結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼》的矩形型鋼（截面尺寸為140 mmx80 mmx4 mm），材質(zhì)為符合GB/T 1591-2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的Q355D，整梁不拼接，并在底部加裝由同樣規(guī)格的矩形型鋼制作而成的斜撐。

3.2 優(yōu)化設(shè)計效果

根據(jù)外部縱向栓固試驗加載方式，計算優(yōu)化設(shè)計后的20英尺罐箱下側(cè)梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.2.1 強(qiáng)度計算

利用有限元分析軟件建立優(yōu)化設(shè)計后的20英尺罐箱有限元模型（見圖9），共劃分網(wǎng)格56 483個、節(jié)點55 497個。罐箱一端2個底角件底面施加位移全約束，另一端2個底角件底面施加垂向位移約束，底角件縱向外端面各施加相當(dāng)于R€譯的推力。通過在罐體內(nèi)施加液體梯度的形式加載載荷R-T，并通過施加相當(dāng)于垂向重力加速度的慣性加速度加載罐箱自重載荷。

如圖10所示：罐箱側(cè)梁各點應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，其中，下側(cè)梁與角柱下部連接處應(yīng)力最大，為229 MPa。由此可見，優(yōu)化設(shè)計后的20英尺罐箱下側(cè)梁滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。

3.2.2 穩(wěn)定性計算

3.2.2.1 下側(cè)梁屈曲載荷計算

利用有限元分析軟件計算優(yōu)化設(shè)計后的20英尺罐箱下側(cè)梁屈曲載荷。按上述加載方式加載，打開預(yù)應(yīng)力選項，分析靜強(qiáng)度，求解結(jié)束后進(jìn)行特征值屈曲分析。由表2和圖11可知：在外部縱向栓固試驗條件下，當(dāng)縱向力達(dá)到4.298 8x2xRxg時，罐箱下側(cè)梁發(fā)生屈曲，即當(dāng)安全系數(shù)取4時，縱向栓固側(cè)梁不會發(fā)生屈曲，滿足穩(wěn)定性設(shè)計要求。

3.2.2.2 軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性計算

參照GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性的計算要求，計算優(yōu)化設(shè)計后的20英尺罐箱下側(cè)梁的穩(wěn)定性。

下側(cè)梁材質(zhì)為 Q355D，彈性模量E=206 GPa ，截面尺寸為140 mmx80 mmx4mm，屬c類截面（見圖12）。下側(cè)梁兩端分別與角件和角柱固定，底部設(shè)有2個相同規(guī)格的支撐件。經(jīng)計算，截面慣性矩=4 493 525 mm，慣性矩=1 867 605 mm，有效面積為1 696 mm，回轉(zhuǎn)半徑i=51.5mm，回轉(zhuǎn)半徑i=33.0 mm。

對下側(cè)梁及底部斜撐進(jìn)行簡化（見圖13），確定斜撐中間下側(cè)梁段的長度=3 451 mm，并據(jù)此計算該規(guī)格下側(cè)梁在長度下的長細(xì)比，結(jié)果為：?=67.0，?=104.5。

取?=max（?，?），下側(cè)梁材質(zhì)的彈性模量=206 GPa，屈服強(qiáng)度=355 MPa。根據(jù)?的值將其代入相應(yīng)的公式，計算下側(cè)梁在長度下的穩(wěn)定系數(shù) ，結(jié)果為：?=1.38>0.215，=0.348。

對優(yōu)化設(shè)計后的20英尺罐箱下側(cè)梁的穩(wěn)定性進(jìn)行校核：N=30 480 kgx9.8 N/kg=298 704 N，A=140 mmx80 mm=11 200 mm，=305 MPa，=0.348，N/（ ΦxAXf）=0.251<1.0，即優(yōu)化設(shè)計后的20英尺罐箱下側(cè)梁的穩(wěn)定性符合設(shè)計要求。

3.2.3 試驗結(jié)果

對優(yōu)化設(shè)計后的20英尺罐箱實施外部縱向栓固試驗，結(jié)果顯示：罐箱下側(cè)梁未發(fā)生明顯變形（見圖14）;罐箱整體未發(fā)生泄漏以及影響正常使用的永久性變形;罐箱尺寸能夠滿足裝卸、栓固和換裝作業(yè)要求。

4 結(jié)束語

下側(cè)梁是罐箱外部縱向栓固的主要受力構(gòu)件。根據(jù)對20英尺罐箱下側(cè)梁受力情況的分析和計算，建議下側(cè)梁采用雙軸對稱截面的矩形型鋼，在結(jié)構(gòu)允許的情況下增設(shè)底部斜撐，并在生產(chǎn)過程中盡量滿足直線度要求，避免焊接拼接，從而提高下側(cè)梁的抗彎能力和穩(wěn)定性。

（編輯：張敏 收稿日期：2021-07-21）