全鋁集裝箱關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化分析

章陳浩，王新宇，王孟君，朱永忠，胡海兵

(1.中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083；2.寰宇東方國(guó)際集裝箱（啟東）有限公司，江蘇 啟東 226255)

0 引言

集裝箱作為一種主流運(yùn)輸設(shè)備，輕量化效益巨大。目前，標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)集裝箱以鋼制結(jié)構(gòu)為主，20 ft集裝箱自重占總重的7%，更低的自重意味著車(chē)輛或船只運(yùn)載能力的提升，這是集裝箱制造行業(yè)的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)[1]。集裝箱輕量化目前有以下幾個(gè)主要途徑：采用輕質(zhì)材料，如采用復(fù)合木板替代底托與頂板[2]、部分構(gòu)件替換為鋁合金材料[3]等；采用零部件數(shù)量集成；采用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。然而，集裝箱作為一種成熟的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)優(yōu)化與零部件集成的輕量化效果有限[5]。鋁合金密度低，比強(qiáng)度高，具有優(yōu)秀的氣密性、水密性、耐腐蝕性，可回收率達(dá)90%以上[6]，是集裝箱在海上運(yùn)輸環(huán)境下最理想的輕量化材料。但鋼和鋁的性能及材料加工方法有較大差異，這使得全鋁集裝箱需要重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，高試錯(cuò)成本與長(zhǎng)研發(fā)周期，使得全鋁集裝箱未見(jiàn)推廣使用[7]。本文通過(guò)有限元法輔助研發(fā)全鋁集裝箱，評(píng)估鋁合金材料性能對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響，針對(duì)鋁合金擠壓型材特點(diǎn)及性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)的同時(shí)使集裝箱剛度、強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

船級(jí)社針對(duì)不同貨運(yùn)方式下集裝箱的不同受力情況，規(guī)定了堆碼、橫向剛性、縱向剛性試驗(yàn)等共計(jì)12項(xiàng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行新結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)時(shí)，逐一進(jìn)行檢驗(yàn)項(xiàng)目的驗(yàn)證會(huì)增加研發(fā)周期，不能快速有效地更改結(jié)構(gòu)。通過(guò)鋼鋁差異性分析，認(rèn)為鋁合金彈性模量只有鋼的1/3，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題風(fēng)險(xiǎn)加大；而焊接強(qiáng)度的折減會(huì)導(dǎo)致全鋁箱在某些測(cè)試項(xiàng)目中，箱體的各梁柱端部首先屈服，進(jìn)而帶動(dòng)相鄰梁或板件發(fā)生端部的局部變形。因此，基于集裝箱實(shí)際測(cè)試情況，認(rèn)為全鋁集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先關(guān)注能否通過(guò)堆碼和橫向剛性測(cè)試。在堆碼測(cè)試中，為模擬實(shí)際偏碼的工況，在角件上對(duì)受力重心進(jìn)行偏置，又由于后角柱的特殊結(jié)構(gòu)，堆碼的向后偏置測(cè)試更為危險(xiǎn)。因此，以滿足堆碼后偏置試驗(yàn)和橫向剛性試驗(yàn)作為集裝箱設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度校核的主要指標(biāo)，以縮短研發(fā)周期。對(duì)于采用焊接方式連接的6061鋁合金構(gòu)件，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)斷裂區(qū)域位于熱影響區(qū)而非焊縫，強(qiáng)度折減系數(shù)達(dá)到0.78，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中無(wú)法忽視熱影響區(qū)強(qiáng)度降低這一因素，需要避免熱影響區(qū)聚集。

2 全鋁集裝箱有限元分析

2.1 全鋁集裝箱的結(jié)構(gòu)描述

如圖1所示，設(shè)計(jì)的20 ft全鋁集裝箱分為6個(gè)部分，底架、前端、后端框、側(cè)端、頂板、后（門(mén)）端共同構(gòu)成一個(gè)封閉箱體。主體框架由4根角柱、8根梁柱構(gòu)成，再通過(guò)波紋板密封并提供一定剛度。原鋼制集裝箱總質(zhì)量為2.10 t，各主要構(gòu)件都為SPA-H軋制鋼板，鋁制集裝箱總質(zhì)量為1.26 t，各主要構(gòu)件為6061-T6擠壓鋁型材。

圖1 全鋁集裝箱結(jié)構(gòu)示意

2.2 有限元模型的建立

通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)全鋁集裝箱進(jìn)行數(shù)值分析，建立有限元模型。對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何清理和簡(jiǎn)化，依據(jù)型材截面尺寸設(shè)置實(shí)體或殼體單元，賦予材料屬性，定義相互作用。箱體材料均為6061-T6鋁合金，密度為2.7 g/cm3，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為240 MPa，抗拉強(qiáng)度為260 MPa，焊后屈服強(qiáng)度為187 MPa，抗拉強(qiáng)度為203 MPa。在設(shè)置焊接連接的構(gòu)件時(shí)，通過(guò)綁定約束來(lái)連接構(gòu)件，從焊縫中點(diǎn)算起向各個(gè)方向延伸30 mm的區(qū)域內(nèi)設(shè)置折減的材料參數(shù)以模擬出熱影響區(qū)。角件為外購(gòu)件并有獨(dú)立的強(qiáng)度測(cè)試方法，因此默認(rèn)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，在模擬中設(shè)置為彈性體。

2.3 約束的創(chuàng)建與載荷的施加

集裝箱在各測(cè)試中的載荷，基本通過(guò)角件施加。在堆碼中底角件由專(zhuān)用支架固定，角件與支架間存在自由活動(dòng)的間隙，因此約束一個(gè)角件的3個(gè)平動(dòng)自由度，其余3個(gè)角件約束Y軸平動(dòng)自由度。依照船級(jí)社檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，堆碼測(cè)試時(shí)在各角件上施加載荷為97 200 kg的垂直力，并向左24 mm、后38 mm進(jìn)行偏置，在集裝箱內(nèi)木板上施加總質(zhì)量為52 764 kg的均布載荷，并施加全局重力加速度。

2.4 堆碼工況下的靜力學(xué)分析

將有限元模型導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行靜力分析，在后處理中觀察集裝箱的模擬結(jié)果，找到最大變形和最大應(yīng)力的部位，整體應(yīng)力分布情況如圖2（a）所示。通過(guò)堆碼測(cè)試模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全鋁集裝箱最大塑性應(yīng)變?cè)诤蠼侵隙瞬?，最大?yīng)力值為254 MPa；最大位移發(fā)生在底橫梁處，數(shù)值為21.7 mm，符合集裝箱實(shí)際情況。表1為集裝箱檢測(cè)規(guī)范中規(guī)定的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)應(yīng)位置的變形值，該結(jié)構(gòu)變形值均符合船級(jí)社檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，即結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。但后角柱上端部、頂側(cè)梁端部與門(mén)楣端部發(fā)生較大的局部塑性變形，即圖2（a）中圓圈所示區(qū)域，需要進(jìn)一步優(yōu)化。圖2（b）展示的是該區(qū)域的塑性應(yīng)變情況，其中角件被隱藏以觀察梁柱截面，綠色與紅色區(qū)域表示發(fā)生了較大的塑性變形。在該區(qū)域內(nèi)選取塑性應(yīng)變量較高的5個(gè)單元，提取其加載歷程的等效塑性應(yīng)變變化曲線（如圖2（c）），在堆碼載荷施加過(guò)程中，角柱1處率先屈服并導(dǎo)致相鄰的門(mén)楣2隨后屈服，在這之后，由于后角柱1處的塑性應(yīng)變量過(guò)大，導(dǎo)致門(mén)楣3、頂側(cè)梁4、后角柱5等區(qū)域也先后發(fā)生屈服，表明后角柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，端部的失效導(dǎo)致實(shí)際堆碼過(guò)程中出現(xiàn)塑性失穩(wěn)，降低了集裝箱極限承載能力和變形性能。

圖2 集裝箱應(yīng)力及塑性應(yīng)變分布情況

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

3 全鋁集裝箱的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

集裝箱通過(guò)角件進(jìn)行堆碼作業(yè)，而角件與角柱結(jié)構(gòu)相互匹配才能達(dá)到良好承載效果。后角柱作為門(mén)柱，需要在特定位置開(kāi)孔且設(shè)計(jì)時(shí)尺寸受限制。與前角柱相比，后角柱載荷偏置的影響更加嚴(yán)重，這對(duì)后角柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出更高的要求?；阡X型材結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮焊接強(qiáng)度折減和構(gòu)件受力狀態(tài)，對(duì)全鋁集裝箱進(jìn)行優(yōu)化處理，主要修改部分為各梁柱結(jié)構(gòu)，其中后角柱為關(guān)鍵優(yōu)化對(duì)象。

表2 與實(shí)際底架測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變形mm

后角柱為焊接后的非對(duì)稱截面鋁合金開(kāi)孔軸壓構(gòu)件，截面的剪心和形心不重合，它的失效形式主要為局部屈曲、彎扭屈曲和端部失效。軸壓受力狀態(tài)下極限承載力可采用以下公式計(jì)算[8]:

后角柱外形尺寸無(wú)法變更，即穩(wěn)定計(jì)算系數(shù)φ和型材寬度b為定值。鋁型材成本高，若通過(guò)增加厚度t和凈截面/毛截面比Ah/A來(lái)提高極限承載力，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性差。對(duì)于矩形截面λ1>0.757，可以通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化受力載荷分布，降低局部屈服對(duì)穩(wěn)定承載力的影響。

針對(duì)角柱局部屈服和熱影響區(qū)范圍大的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種雙孔嵌合型角柱，新舊角柱截面對(duì)比如圖3、圖4所示。傳統(tǒng)鋼制角柱結(jié)構(gòu)為工字梁與鋼板焊接制成，而原鋁角柱設(shè)計(jì)方案仿照鋼制角柱形狀設(shè)計(jì)為單孔空心鋁型材，此時(shí)角柱出現(xiàn)局部屈服，進(jìn)而影響了側(cè)梁的變形情況?，F(xiàn)通過(guò)在角件和角柱上設(shè)計(jì)一嵌合結(jié)構(gòu)分散熱影響區(qū)并提高角件剛度；將角柱改為雙孔型材并作為主要承力區(qū)，以均勻角柱受力；使型材壁厚基本一致，以降低擠壓生產(chǎn)型材的初始彎曲缺陷對(duì)屈曲的影響。

圖3 優(yōu)化前的角柱截面（單位：mm）

圖4 優(yōu)化后角柱截面（單位：mm）

3.2 優(yōu)化分析結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后的集裝箱進(jìn)行靜力分析，并與優(yōu)化之前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。后角柱上端截面應(yīng)力分布如圖6（a）、圖6（c）所示，選取該截面上的6個(gè)單元，位置如圖所示，提取加載歷程的應(yīng)力變化曲線，如圖6（b）、圖6（d）?？梢钥闯?，在原后角柱堆碼載荷的加載歷程中，單元3在加載到總載荷的33%時(shí)發(fā)生屈服，部分區(qū)域率先發(fā)生塑性變形，進(jìn)而可能引發(fā)失穩(wěn)。而優(yōu)化后的角柱應(yīng)力增長(zhǎng)比原角柱更加均勻協(xié)調(diào)，各點(diǎn)的應(yīng)力在加載歷程中增長(zhǎng)趨勢(shì)一致。在載荷加載完成后，原角柱的應(yīng)力主要集中于圖6（a） 中 的 右側(cè)，最大應(yīng)力為254 MPa，發(fā)生屈服。而優(yōu)化后的角柱承力區(qū)域擴(kuò)大，最大應(yīng)力降至238 MPa，未超過(guò)設(shè)定的屈服強(qiáng)度。角柱長(zhǎng)度方向變形量從6.91 mm下降至5.11 mm，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高。

圖5 嵌合型角件角柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 后角柱上端應(yīng)力分布情況對(duì)比

3.3 靜態(tài)性能對(duì)比

將優(yōu)化后的全鋁集裝箱結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。由表3 可 知，優(yōu)化后的全鋁集裝箱塑性應(yīng)變量降低，角柱變形與最大位移值減少，符合船級(jí)社檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的鋼制集裝箱相比，全鋁集裝箱在犧牲部分剛度之后，質(zhì)量減輕了40%，輕量化優(yōu)勢(shì)明顯，提高了車(chē)輛或船只的運(yùn)載能力。

表3 性能對(duì)比集裝箱

4 結(jié)論

1）在進(jìn)行20 ft全鋁集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先關(guān)注能否通過(guò)堆碼后偏置和橫向剛性測(cè)試，其中后角柱是堆碼測(cè)試時(shí)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。該方案同樣適用于其他類(lèi)型的集裝箱快速開(kāi)發(fā)。

2）將單孔型角柱結(jié)構(gòu)改為雙孔嵌合型角柱后，角柱最大應(yīng)力下降16 MPa，低于設(shè)定的屈服強(qiáng)度，加載歷程中應(yīng)力增長(zhǎng)趨向一致，分布更加均勻，角柱發(fā)生塑性失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)下降。

3）優(yōu)化后的鋁箱角柱變形量下降26%，最大位移下降25%，最大塑性應(yīng)變量下降60%，變形符合船級(jí)社檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，與鋼制集裝箱相比，全鋁集裝箱在犧牲部分剛度后，質(zhì)量減輕了40%，驗(yàn)證了該方案的可行性。