基于有限元計(jì)算的交換箱箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核方法

丁振剛 尹冠群 魯周奇 李曉勇

青島中集專(zhuān)用車(chē)有限公司 山東青島 266500

隨著我國(guó)物流行業(yè)的迅速發(fā)展，全球多式聯(lián)運(yùn)的重心在不斷向中國(guó)轉(zhuǎn)移；在國(guó)際形勢(shì)和國(guó)家政策的影響下，中國(guó)傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式不僅受到了時(shí)間、空間以及軌道運(yùn)輸、航空運(yùn)輸、海洋運(yùn)輸?shù)饶Ｊ降南拗疲疫\(yùn)輸?shù)臅r(shí)效性和便捷性越加無(wú)法滿(mǎn)足目前物流行業(yè)的發(fā)展要求。交換箱在這個(gè)運(yùn)輸階段具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]，相比于傳統(tǒng)半掛車(chē)集裝箱，交換箱的尺寸和結(jié)構(gòu)形式幾乎與其保持一致。但是，交換箱特有的可折疊支腿，能夠?qū)崿F(xiàn)自裝卸的要求，更好地實(shí)現(xiàn)甩箱，縮短了運(yùn)輸車(chē)輛的等待時(shí)間，而且不需要吊裝設(shè)備或者叉車(chē)等，大大提高了運(yùn)輸效率；在鐵路和近海、內(nèi)河的聯(lián)運(yùn)上，完全可以實(shí)現(xiàn)海鐵聯(lián)運(yùn)，特別是鐵路與公路的轉(zhuǎn)換[2]，變得更加便捷。未來(lái)我國(guó)物流運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展必然要依賴(lài)多式聯(lián)運(yùn)，也必然會(huì)帶動(dòng)交換箱的爆發(fā)式增長(zhǎng)，交換箱將成為中國(guó)多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展的重要運(yùn)載工具[3]。

為了能夠更好地滿(mǎn)足多式聯(lián)運(yùn)需求，須對(duì)交換箱的強(qiáng)度及形變利用試驗(yàn)的方式進(jìn)行測(cè)試，使其在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中的安全性能更加可靠。這就要求箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要滿(mǎn)足多式聯(lián)運(yùn)的要求，然后根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)試工況，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元強(qiáng)度及形變分析，最終通過(guò)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而達(dá)到實(shí)際測(cè)試的強(qiáng)度及形變要求。

1 有限元分析模型

本文將結(jié)合有限元法對(duì)交換箱箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析[4]。傳統(tǒng)的有限元試驗(yàn)仿真分析過(guò)程主要包括模型的前處理和后分析兩大步驟，其中模型的前處理主要是對(duì)三維幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和修正，將整箱實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為薄殼單元，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得有限元分析模型，輸入有限元分析軟件進(jìn)行后分析階段[5]。

1.1 幾何模型

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求，首先建立出交換箱箱體的Pro/En gineer三維模型。該交換箱箱體采用全封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS-EN-284:2006的要求。外部尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：7 450 mm×2 550 mm×2 750 mm；內(nèi)部容積：46.5 m3；整箱最大總重：16 000 kg；自重：3 420 kg；最大載重：12 580 kg；單側(cè)側(cè)壁的面積： 1 873.9 cm2；單端端墻的面積：634.8 cm2。該交換箱整箱結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 Swap Body幾何模型

通過(guò)有限元分析軟件 ABAQUS 創(chuàng)建 Swap Body 有限元模型，如圖2所示。

圖2 SWAP BODY有限元模型

1.3 材料屬性定義

定義STEEL材料參數(shù)：彈性模量E=210 000 MPa，泊松比?=0.3；定義MOOD材料參數(shù)：彈性模量E=11 000 MPa，泊松比?=0.35；定義重力加速度g=9.8066 m/s2。由于角件和雙孔角件屬于外協(xié)件，不作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析構(gòu)件，設(shè)定為剛性件結(jié)構(gòu)。

2 模擬工況分析

有限元分析的關(guān)鍵因素除了有限元模型的創(chuàng)建之外，邊界約束的施加也是后分析的關(guān)鍵因素。精準(zhǔn)正確的分析結(jié)果，必須要有高質(zhì)量的有限元分析模型和對(duì)特定區(qū)域設(shè)置的合理約束。

本文根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS-EN-283:1991的要求，對(duì)交換箱試驗(yàn)工況的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法進(jìn)行工況模擬，根據(jù)有限元分析與結(jié)果的提取，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)和優(yōu)化，使得交換箱箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平在后分析階段滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，為交換箱箱體設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)參考。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取對(duì)應(yīng)的工況和載荷進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 交換箱加載工況

在各種工況和載荷作用下，對(duì)Swap Body進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)構(gòu)上任何一點(diǎn)的von-Mises應(yīng)力均應(yīng)滿(mǎn)足材料強(qiáng)度要求，并且均應(yīng)不大于屈服應(yīng)力強(qiáng)度，才能夠保證Swap Body 在試驗(yàn)加載后不會(huì)出現(xiàn)永久性變形，且能夠完成正常裝卸、吊裝、運(yùn)輸和換裝等作業(yè)。

3 有限元計(jì)算結(jié)果

通過(guò)后處理對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出八種工況下各個(gè)組件的仿真分析結(jié)果，如圖3～圖9所示，底部組件、側(cè)面組件、前墻組件、整箱組件等在典型工況下的von-Mises應(yīng)力云圖、位移云圖。

圖3 側(cè)向加載試驗(yàn)-側(cè)面組件von-Mises應(yīng)力云圖

圖4 縱向加載試驗(yàn)-前墻組件von-Mises應(yīng)力云圖

圖5 堆碼試驗(yàn)-整箱組件von-Mises應(yīng)力云圖

圖6 吊頂試驗(yàn)-整箱組件位移云圖

圖7 吊底試驗(yàn)-整箱組件位移云圖

圖8 縱向固定（拉）試驗(yàn)-側(cè)面組件von-Mises應(yīng)力云圖

圖9 縱向固定（壓）試驗(yàn)-側(cè)面組件von-Mises應(yīng)力云圖

其應(yīng)力定義的公式為：

第二階段為依賴(lài)階段，企業(yè)己建立較完整的安全條件和紀(jì)律約束，員工需要遵守安全規(guī)范要求，安全管理不只是安全管理人員的職責(zé)，其它員工也有義務(wù)參與。

式中，σjd為 各節(jié)點(diǎn)出的von-Mises應(yīng)力；σxd、σyd、τd為各節(jié)點(diǎn)處的主應(yīng)力。

其許用應(yīng)力定義的公式為：

式中，σs為材料的屈服強(qiáng)度；n為安全系數(shù)。

4 箱體型式試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS-EN-283:2016的要求，對(duì)Swap Body箱體進(jìn)行型式試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如下（以下數(shù)據(jù)，R=總質(zhì)量16 000kg；T=箱體整體備質(zhì)量3 420kg；P=載質(zhì)量12 580kg。）

4.1 側(cè)向強(qiáng)度試驗(yàn)

箱體加載最大載荷（R-T）=12 580 kg；測(cè)試均布載荷0.6P =7 548 kg。

圖10 側(cè)壁試驗(yàn)變形量

圖11 側(cè)壁測(cè)試位置點(diǎn)

測(cè)試結(jié)果：通過(guò)。

4.2 縱向加載試驗(yàn)

箱體加載最大載荷（R-T）=12 580 kg；測(cè)試均布載荷0.5P =6 290 kg。

圖12 前端試驗(yàn)變形量

圖13 前端測(cè)試位置點(diǎn)

圖14 后端試驗(yàn)變形量

圖15 后端測(cè)試位置點(diǎn)

測(cè)試結(jié)果：通過(guò)。

4.3 堆碼試驗(yàn)

箱內(nèi)加載載荷:1.8R-T=25 380 kg；每根角柱加載豎直向下載荷:14 400 kg/post。

圖16 加載方式及測(cè)試位置點(diǎn)

圖17 空載、加載、卸載之后的變形量

測(cè)試結(jié)果：通過(guò)。

4.4 吊頂試驗(yàn)

箱內(nèi)加載載荷:2R-T= 28 580 kg，通過(guò)四根角柱勻速豎直起吊。

圖18 底架測(cè)試變形量

圖19 加載方式及附架測(cè)試位置點(diǎn)

測(cè)試結(jié)果：通過(guò)。

4.5 吊底試驗(yàn)

箱內(nèi)加載載荷:2R-T= 28 580 kg，通過(guò)底角件呈45°角起吊。

圖20 底架測(cè)試變形量

圖21 加載方式底架測(cè)試位置點(diǎn)

測(cè)試結(jié)果：通過(guò)。

4.6 縱向栓固

箱內(nèi)加載載荷:R-T= 12 580 kg，固定們端角件，對(duì)前端角件施加推力和拉力。

圖22 底架測(cè)試變形量

圖23 加載方式底架測(cè)試位置點(diǎn)

測(cè)試結(jié)果：通過(guò)。

5 仿真分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)Swap Body箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果與型式試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，各工況載荷作用下應(yīng)力水平均能滿(mǎn)足BSEN-283:2016標(biāo)準(zhǔn)要求，且安全系數(shù)均大于1.5，如表2所示。

表2 八種工況下各個(gè)組件的計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表2以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)所知，各個(gè)工況下的交換箱最大應(yīng)力值和最大位移變形值大多存在于底部組件結(jié)構(gòu)[6]。通過(guò)對(duì)底橫梁、底側(cè)梁、前門(mén)檻、后門(mén)檻、角件等的設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化，獲得最終較為合理的方案，能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求并且保證材料的最大利用率，對(duì)優(yōu)化后的底架組件仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表3所示。

表3 底部組件各個(gè)工況下的應(yīng)力和位移值

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合有限元分析結(jié)果與樣箱的型式試驗(yàn)位移變形情況，進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，確認(rèn)交換箱在模擬分析的各種工況下的應(yīng)力分布及位移變形與實(shí)際試驗(yàn)工況是基本吻合的，由此得出有限元仿真分析能夠較為便捷的、真實(shí)的、可靠地分析出箱體在各種工況下的應(yīng)力及形變是否能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，為后續(xù)交換箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核提供了一種更便捷、可靠的計(jì)算方法。