不同集裝箱底框結(jié)構(gòu)形式的強度仿真分析

常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司 南京南瑞繼保電氣有限公司 張海龍 潘守文 陳 城

文章以20尺標準集裝箱的底框作為研究對象，對底框的支撐梁采用兩種不同的布置方式。通過有限元仿真模擬分析這兩種布置方式下集裝箱整體的結(jié)構(gòu)強度，為集裝箱底框支撐梁結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

集裝箱產(chǎn)品近些年來越來越受到重視，其可作為各種設(shè)備的承載體，箱內(nèi)可放置變壓器、變流器、電池堆、屏柜等，再輔助以空調(diào)、風(fēng)扇等散熱設(shè)備，便可以戶外放置運行。集裝箱在整體吊裝和運輸過程中會受到各種外力的作用，而集裝箱的底框作為主要的受力部件承受了其中大部分外力的作用。同時集裝箱的其他組成部分，如頂蓋板，側(cè)板，立柱也都依附于底框。然而目前的底框設(shè)計比較隨意，底框支撐梁如何優(yōu)化布置便成為了一個問題。

1 仿真模型建立

考慮到現(xiàn)有計算機的配置以及為了便于劃分網(wǎng)格和分析計算，對模型進行簡化處理。集裝箱的側(cè)板、箱門，門鎖等并不是影響底框強度的主要因素，因此可以簡化，以提高仿真效率。圖1為簡化后的集裝箱框架模型。該集裝箱箱內(nèi)設(shè)備主要為變流器、變壓器、通訊柜、配電柜。實際模組中只保留整體框架，模型中已去除對強度影響不大的門板、鉸鏈等。集裝箱箱內(nèi)設(shè)備線纜連接主要通過底部槽鋼?，F(xiàn)有集裝箱設(shè)計中，主要有2種底框走線方式，第一種為槽鋼中間開孔，線纜從槽鋼中穿過；第二種為箱體主支撐槽鋼相比設(shè)備支撐槽鋼尺寸更大，這樣設(shè)備支撐槽鋼下方會多出一部分空間，線纜可以自由布置。圖1為第一種槽鋼開孔集裝箱簡化模型。

圖1 簡化后的集裝箱框架模型

20尺集裝箱最大外形尺寸為寬6058mm、深2438mm、高2896mm模型中材料屬性：材質(zhì)為Q235，彈性模量為210MPa，泊松比為0.3，材料密度為7850kg/m3。

網(wǎng)格的劃分影響模型有限元分析的結(jié)果，過細的網(wǎng)格劃分，往往會造成結(jié)果計算緩慢。本文主要是對比兩種底框結(jié)構(gòu)形式下的集裝箱整體強度，變量僅為底框支撐梁結(jié)構(gòu)，其余控制變量。集裝箱整體簡化后，使用自由網(wǎng)格劃分，可以方便快捷的得到集裝箱網(wǎng)格處理結(jié)果。

2 仿真工況

根據(jù)實際工程應(yīng)用情況，將集裝箱底框的結(jié)構(gòu)形式分為兩種。方案A：底框支撐均為16號槽鋼，槽鋼上需開設(shè)大量的過線孔；方案B：底框最外側(cè)一圈4條20號槽鋼，左側(cè)變壓器艙11條20號槽鋼，其余全部布置12號槽鋼。方案B相對于方案A，由于部分槽鋼高度減小，減小的空間有利于現(xiàn)場電纜布線。以上兩種集裝箱總重接近，分別對集裝箱靜態(tài)吊裝和靜態(tài)平地放置進行分析。

工況一：靜態(tài)吊裝分析

圖2 方案A吊裝受力示意

在集裝箱四個吊點的頂端面施加固定約束B，集裝箱受整體重力影響。圖中A標識為施加的重心加速度9806.6mm/s2，C和D標識為底框各位置受力4000N。方案B采用同樣的方式。

工況二：靜態(tài)平地放置分析

圖3 方案A平地靜態(tài)放置受力示意

在集裝箱底部的四個角件底端面設(shè)置固定約束D，其中A標識為施加的重心加速度9806.6mm/s2，C和D標識為底框各位置受力4000N。方案B采用同樣的方式。

3 仿真結(jié)果對比

工況一靜態(tài)吊裝情況下，方案A和方案B的變形量云圖分別為圖4和圖5所示。

圖4 工況一靜態(tài)吊裝情況下方案A的變形量云圖

圖5 工況一靜態(tài)吊裝情況下方案B的變形量云圖

工況二靜態(tài)平地放置情況下，方案A和方案B的變形量云圖分別為圖6和圖7所示。

圖6 工況二靜態(tài)平地放置情況下方案A的變形量云圖

圖7 工況二靜態(tài)平地放置情況下方案B的變形量云圖

兩種工況下的集裝箱主要變形量普遍都集中在中間底框位置。

工況一靜態(tài)吊裝情況下，方案A和方案B的應(yīng)力云圖分別為圖8和圖9所示。

圖8 工況一靜態(tài)吊裝情況下方案A的應(yīng)力云圖

圖9 工況一靜態(tài)吊裝情況下方案B的應(yīng)力云圖

工況二靜態(tài)平地放置情況下，方案A和方案B的應(yīng)力云圖分別為圖10和圖11所示。

圖10 工況二靜態(tài)平地放置情況下方案A的應(yīng)力云圖

圖11 工況二靜態(tài)平地放置情況下方案B的應(yīng)力云圖

兩種工況下的集裝箱的主要應(yīng)力分布比較接近，應(yīng)力云圖無法明顯判斷兩種集裝箱的區(qū)別。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，整理出兩種集裝箱不同工況下的最大應(yīng)力和最大變形量，如表1和表2所示。

表1 最大應(yīng)力(MPa)

表2 最大變形量(mm)

仿真結(jié)果表明，底框結(jié)構(gòu)形式不同的兩種集裝箱強度，從最大應(yīng)力和最大變形量對比來看差別不大，但是方案B即底框支撐梁減少開孔，并替換為小號槽鋼的設(shè)計，在一定程度上減小了應(yīng)力和變形量。

結(jié)論：通過對兩種底框結(jié)構(gòu)的集裝箱進行吊裝和平地靜置受力分析，計算出這兩種工況下的最大應(yīng)力和最大變形量。從云圖來看，兩種集裝箱不同工況下的應(yīng)力和變形量都比較接近，從仿真結(jié)果來看，底框過線孔較多對箱體的結(jié)構(gòu)有一定影響。將開孔多的大號整根槽鋼替換為多根無開孔的小號槽鋼，集裝箱整體結(jié)構(gòu)強度會有改善，經(jīng)濟性也會更好。