基于CAE技術(shù)的谷物集裝箱安全性分析

摘? 要：文章推導(dǎo)出顆粒介質(zhì)對集裝箱壁面載荷的計算公式，采用CAE靜力學(xué)仿真技術(shù)，建立谷物集裝箱兩種使用工況下的有限元模型，利用CAE軟件模擬谷物集裝箱剛度和強度，根據(jù)標準集裝箱設(shè)計原則，分析標準干貨集裝箱用于存儲谷物的可行性，并探討谷物集裝箱優(yōu)化設(shè)計方向，這對其他用于存儲顆粒介質(zhì)的產(chǎn)品的設(shè)計具有一定參考作用。

關(guān)鍵詞：集裝箱;顆粒介質(zhì);CAE;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0115-03

Safety Analysis of Grain Container Based on CAE Technology

SHEN Sainan

（World Oriental International Container （Qidong） Co.， Ltd.， Qidong? 226265， China）

Abstract： In this paper， the calculation formula of the load of granular medium on the container wall is derived， and the finite element model of grain container under two use conditions is established by using CAE static simulation technology， simulates the stiffness and strength of the grain container by using the CAE software， analyzes the feasibility of the standard dry cargo container for storing grain according to the design principle of the standard container， and discusses the optimization design direction of the grain container， this has a certain reference for the design of other products for storing granular medium.

Keywords： container; granular medium; CAE; optimization design

0? 引? 言

集裝箱作為陸運和海運的重要載貨媒介，是多式聯(lián)運的重要一環(huán)，而探索標準集裝箱產(chǎn)品的特殊用途，一直是業(yè)界熱點和難點，比如考慮經(jīng)濟性，要求標準集裝箱既可以作為普通干箱發(fā)揮運輸用途，又可以儲存谷物等顆粒介質(zhì)發(fā)揮倉儲功能。本文針對20尺標準干貨集裝箱的結(jié)構(gòu)進行簡單更改，探索其用于存儲谷物的安全性和優(yōu)化設(shè)計方向，這對用于存儲顆粒介質(zhì)的其他產(chǎn)品的壁面載荷計算、設(shè)計、安全性分析和優(yōu)化具有一定參考作用。

1? 顆粒介質(zhì)對集裝箱壁面載荷的計算

普通固體貨物放置于集裝箱中，集裝箱壁面所受最大載荷可以參考各船級社和其他機構(gòu)關(guān)于集裝箱強度設(shè)計的檢驗標準[1]。而液體放置于集裝箱中時，集裝箱壁面所受載荷可以通過簡單公式計算獲得。顆粒介質(zhì)區(qū)別于普通固體貨物與液體，集裝箱填裝顆粒物時，箱體形成事實上的筒倉結(jié)構(gòu)。筒倉底部所受載重在受力截面上均布，筒倉立面和斜面所受物料壓強參考《GB 50077-2017 鋼筋混凝土筒倉設(shè)計標準》（以下簡稱“筒倉標準”），分深倉與淺倉兩種情況求解[2]。根據(jù)集裝箱裝載谷物時放置方式的不同，分為垂直放置（深倉）與水平放置（淺倉）兩種使用工況。

1.1? 深倉壁面載荷計算

如圖1所示，對于深倉，貯料頂面、貯料頂部錐形體重心以下，距離S（m）處的水平截面上，倉壁所受水平壓強Ph（kPa）應(yīng)按下列公式計算：

其中：

Ph=Ch·γ·ρ（1-e-μ·k·s/ρ）/μ? ?（1）

k=tan2（45°- ?/2）（2）

式中：Ch為深倉貯料水平壓力修正系數(shù);γ為貯料的重力密度（KN/m3）;ρ為筒倉水平凈截面的水力半徑（m）;e為自然對數(shù)的底;s為貯料頂面或貯料椎體重心至計算截面的距離（m）;μ為料對倉壁的摩擦系數(shù);k為側(cè)壓力系數(shù);?為貯料的內(nèi)摩擦角（°）;倉底或漏斗頂面處所受豎向壓強Pv（KPa）應(yīng)按下式計算：

（3）

式中：Cv為深倉貯料豎向壓力修正系數(shù);hn為貯料計算高度（m）。

注：當(dāng)按上式計算的Pv值大于γhn值，γhn應(yīng)為淺倉的豎向壓力。

貯料重力密度γ參見筒倉標準附錄A《貯料的物理特性參數(shù)》，Ch值參見筒倉標準表4.2.5-1，Cv值參見筒倉標準表4.2.5-2。

針對集裝箱，hn（m）=貯料頂面-貯料底面。

筒倉倉壁水平任意凈截面，矩形筒倉任意凈截面的水力半徑（ρ（m）應(yīng)按下列公式計算：

ρ=A/U（4）

ρ=anbn/2（an+bn）（5）

式中，A為筒倉水平截面的凈面積（m2）;U為凈截面的周長（m）;an為矩形筒倉倉壁長邊內(nèi)邊緣的邊長;bn為矩形筒倉倉壁短邊內(nèi)邊緣的邊長。

1.2? 淺倉壁面載荷計算

如圖2所示，平面為圓形，矩形的淺倉，貯料壓力的計算應(yīng)符合以下規(guī)定：

1—平頂面貯料;2—斜頂面貯料;3—貯料頂部錐形體的重心;4—s深度處的計算截面

圖2? 淺倉貯料壓力示意圖

貯料頂面、貯料頂部錐形體重心以下，距離s（m）處的水平截面上，作用于倉壁上的水平壓強Ph（KPa）應(yīng)按下式計算：

Ph=kγs? （6）

筒倉的貯料計算高度hn與其內(nèi)徑dn的比大于1.0且小于1.5、矩形平面的短邊的bn的比大于0.4且小于1.5時，除按式（6）計算外，還應(yīng)按式（1）計算貯料壓力，取其二者計算結(jié)果的最大值。

貯料頂面、貯料錐形頂重心以下距離s（m）處豎向壓強Pv（KPa）應(yīng)按下式計算：

Pv=γs （7）

2? 有限元分析模型的建立

谷物箱設(shè)計方案為：將20尺標準干箱側(cè)壁厚度從2 mm改為3 mm后門端朝上垂直放置于地面，打開門端，裝載28噸谷物后，關(guān)閉門端再翻轉(zhuǎn)90°水平靜置于地面。根據(jù)集裝箱產(chǎn)品設(shè)計總原則，兩種工況下谷物箱主結(jié)構(gòu)不允許大面積屈服，箱體永久變形不可導(dǎo)致尺寸超差，且門端仍能開合。

由于采用真實物理試驗評估谷物箱安全性存在諸多限制與缺陷，比如時間周期長、經(jīng)濟費用高和安全隱患多，因此本文采用CAE靜力學(xué)仿真技術(shù)評估箱體剛度和強度性能，判定方案可行性。

模型方面，為了提高計算效率同時保證計算結(jié)果準確性，本文對物理模型做合理簡化。第一、刪除與主結(jié)構(gòu)無關(guān)的零件，如繩鉤、膠條和銘牌等;第二、簡化僅用于傳力而不作為主要分析對象的零件，如門鉸鏈、鎖頭和鎖座等;第三、去除小于5 mm的倒圓和倒角以提高網(wǎng)格質(zhì)量降低網(wǎng)格數(shù)量;第四、考慮谷物集裝箱左右對稱，計算時采用1/2對稱模型，降低計算規(guī)模，節(jié)省計算時間;第五、垂直放置工況，門頁承開啟狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)無剛度補充作用，因此計算該工況時刪去門頁[3]。

材料方面，20尺標準干箱主結(jié)構(gòu)材質(zhì)為SPA-H，彈性模量2.1E5 MPa，泊松比0.3，屈服強度355 MPa[4]。

載荷方面，箱體裝載28噸糧食，根據(jù)上文公式推導(dǎo)，垂直放置工況載荷參數(shù)如表1所示。

水平放置工況載荷參數(shù)如表2所示。

表1代入函數(shù)式（1）（3）可得深倉壁水平壓強Ph1和豎直壓強Pv2，表2代入函數(shù)式（6）（7）可得淺倉倉壁水平壓強Ph2和豎直壓強Pv2。

位移邊界條件方面，垂直放置時，前角件端面固定約束，水平放置時，底角件端面固定約束。

求解算法方面，采用幾何非線性算法，計算時更新每個載荷步的剛度矩陣，以準確跟蹤主結(jié)構(gòu)的大跨度受壓區(qū)域在加載過程中的剛度變化情況[5]。

3? 可行性分析結(jié)果

垂直放置工況，箱體性能如圖3所示。

垂直放置工況，側(cè)板與底架基本處于彈性變形狀態(tài)，但頂板與前墻板大片屈服（鐵灰色區(qū)域）且變形過大，結(jié)構(gòu)在裝載和存儲谷物時存在安全隱患。

水平放置工況，箱體性能如圖4所示。

水平放置工況，頂板、前墻板、側(cè)板、門頁和底架基本處于彈性變形狀態(tài)，可認為結(jié)構(gòu)安全。

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計需同時滿足兩種使用工況，因此判定標準集裝箱用于裝載和儲存谷物設(shè)計方案不可行，并嚴禁標準集裝箱垂直放置裝載谷物。

4? 優(yōu)化設(shè)計

谷物箱使用過程中的安全隱患主要集中在垂直放置工況下的頂板和前墻板?？紤]經(jīng)濟性、工藝復(fù)雜性和制作時間等因素，本文提出兩種加強方案，方案一側(cè)板波深從36 mm改為40 mm，每側(cè)增加2根60×60×3.0 mm立柱;方案二每側(cè)增加1根60×60×3.0 mm縱向加強管，頂部增加2根60×60×3.0 mm縱向加強管，計算結(jié)果如表3、表4所示。

計算結(jié)果顯示，對側(cè)板和頂板進行加強后，側(cè)板和頂板的性能均得到了有效提升，但由于三種方案的側(cè)壁、頂板與前墻板變形過大且大片屈服，均無法滿足標準干箱用于垂直放置裝載和儲存糧食的需求。基于本文分析結(jié)果，筆者不建議將標準集裝箱直接或簡單更改后用于谷物的裝載和存儲。

后續(xù)探索集裝箱產(chǎn)品用于儲存谷物或其他顆粒介質(zhì)時，可以從以下兩個方面進行：第一、通過加厚側(cè)壁和前墻板、加大波深或在凹波內(nèi)放置立柱的方式，優(yōu)化側(cè)壁和前墻板性能，達到給結(jié)構(gòu)補充剛度的作用;第二、將谷物箱設(shè)計為硬開頂結(jié)構(gòu)，使谷物可以從頂部裝卸，避免集裝箱垂直放置裝糧工況，最終保證集裝箱裝載谷物的安全性。

5? 結(jié)? 論

目前情況下，不建議將標準集裝箱用于裝載和存儲谷物，后續(xù)可以嘗試通過優(yōu)化設(shè)計，同時滿足集裝箱的基本運輸功能與裝載存儲谷物功能。

參考文獻：

[1] 中國船級社.集裝箱驗箱規(guī)范 [M].北京：人民交通出版社，2016.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼筋混凝土筒倉設(shè)計標準：GB50077-2017? [S].北京：中國計劃出版社，2018.

[3] 歐賀國，方獻軍，洪清泉.RADIOSS理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[4] 劉鴻文.材料力學(xué) [M].北京：高等教育出版社，1992.

[5] 李黎明.ANSYS有限元分析實用教程 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

作者簡介：沈賽男（1988—），女，漢族，江蘇南通人，CAE工程師，碩士，主要研究方向：工程結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計研究。