復(fù)合材料包裝箱結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)仿真技術(shù)研究

李楠，劉雷波，龔文化，孔得力

復(fù)合材料包裝箱結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)仿真技術(shù)研究

李楠1，劉雷波1，龔文化1，孔得力2

（1.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京 100074； 2.火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第六軍事代表室，北京 100074）

針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包裝箱進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，使其在內(nèi)壓及堆碼工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足使用要求。針對(duì)局部非主承力位置進(jìn)行改進(jìn)，利用ABAQUS軟件對(duì)包裝箱的內(nèi)壓和堆碼工況進(jìn)行數(shù)值仿真分析，其中載荷工況安全系數(shù)均為1.5。包裝箱理論質(zhì)量減少了64 kg，減少比例約為5.4%。最大載荷應(yīng)力為344 MPa，變形量為4.69 mm，均滿(mǎn)足使用要求。包裝箱結(jié)構(gòu)輕量化后，在內(nèi)壓工況下各結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平均有小幅上升，在堆碼工況下各結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平無(wú)明顯變化，綜上均處于安全范圍，不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。優(yōu)化后的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了輕量化效果，理論證明結(jié)構(gòu)改進(jìn)安全可靠?？蔀閲?guó)內(nèi)類(lèi)似復(fù)合材料包裝箱輕量化結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。

復(fù)合材料；包裝箱；輕量化；ABAQUS

大型復(fù)合材料包裝箱（以下簡(jiǎn)稱(chēng)包裝箱）作為產(chǎn)品的包裝防護(hù)裝備，主要確保產(chǎn)品運(yùn)輸、貯存過(guò)程中免受侵蝕和機(jī)械損傷，具有包裝、運(yùn)輸、吊裝、鏟裝、堆碼、氣密貯存等功能?？v觀(guān)近年包裝箱技術(shù)研究，董曉鋒等[1]從包裝箱外觀(guān)、鋪層及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究；張長(zhǎng)安等[2]采用RTM成型工藝開(kāi)展薄壁型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料包裝箱制備，提高箱體密封性及表面剛度；盧琦等[3]開(kāi)展某金屬框架包裝箱載荷工況結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)分析；張鵬等[4]針對(duì)某金屬框架包裝箱結(jié)合各種工況，采用ANSYS軟件開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整金屬材質(zhì)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減輕的效果；孫福佳等[5]開(kāi)展小型非金屬包裝箱設(shè)計(jì)及運(yùn)輸試驗(yàn)載荷驗(yàn)證。均未涉及大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方面研究，文中以某大型復(fù)合材料包裝箱為例，開(kāi)展典型結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。包裝箱主要由箱體、箱門(mén)及托車(chē)組成。箱體作為主體結(jié)構(gòu)件，選用輕質(zhì)夾芯玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造，主要包括乙烯基環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃纖維經(jīng)編織物、輕木及鋼架等，結(jié)構(gòu)為玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂基外蒙皮+整體鋼質(zhì)承力框架（U型槽內(nèi)放置PVC泡沫）+輕木板層+玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂基內(nèi)蒙皮。箱體內(nèi)部含托車(chē)裝備，主要用于產(chǎn)品在箱內(nèi)的支撐、緊固及托載。

由于產(chǎn)品的特殊性，要求包裝箱具備輕量化、低漏率、高剛度的特征，考慮包裝箱主要材料玻璃纖維織物及輕木均為輕質(zhì)材料，質(zhì)量可減少余量甚微。針對(duì)包裝箱輕量化要求，本文從蒙皮增強(qiáng)織物鋪層簡(jiǎn)化及鋼架結(jié)構(gòu)減量2項(xiàng)方案分析利弊，最終采取鋼架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，在給定的邊界條件下，以現(xiàn)有鋼架材料規(guī)格為變量進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)ABAQUS軟件有限元分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化的同時(shí)滿(mǎn)足包裝箱的可靠性要求。

1 箱體減量?jī)?yōu)化方案

箱體結(jié)構(gòu)減量方案從兩方面進(jìn)行可行性論證：蒙皮增強(qiáng)織物鋪層簡(jiǎn)化；鋼架結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包裝箱外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 包裝箱模型

1.1 蒙皮增強(qiáng)織物鋪層簡(jiǎn)化

箱體內(nèi)外蒙皮為玻璃纖維增強(qiáng)織物、乙烯基聚酯樹(shù)脂基體采用真空樹(shù)脂灌注成型工藝（VARI）共固化成型。內(nèi)外蒙皮玻纖織物按照鋪層順序整體鋪放于箱體模具表面，第2層為玻璃纖維短切氈（E級(jí)，300 g/m2），第2層為無(wú)堿玻璃纖維無(wú)捻粗紗布（E級(jí)，0°/90°經(jīng)編布，400 g/m2），第3層為玻璃纖維短切氈，第4層為玻璃纖維多軸向布（S級(jí)，0°/+45°/–45°經(jīng)編布，1 270 g/m2），第5層為玻璃纖維復(fù)合氈（S級(jí)，0°/+90°/?45°經(jīng)編布，1 500 g/m2，氈面向下鋪放），玻纖織物0°方向均為箱體長(zhǎng)度（順航向）方向。拐角位置為避免架橋，根據(jù)情況做漸變搭接處理。

原材料使用原則：S級(jí)玻纖布增強(qiáng)拉伸、壓縮及彎曲強(qiáng)度；短切氈可塑性好，在玻纖織物層間交替鋪放可補(bǔ)強(qiáng)布層間縫隙，提升蒙皮層間剪切強(qiáng)度，從工藝角度可提高玻璃鋼蒙皮纖維體積含量，降低“富集樹(shù)脂”現(xiàn)象。若針對(duì)玻纖增強(qiáng)織物類(lèi)型及鋪層順序結(jié)合內(nèi)外蒙皮“拉、壓、彎、剪”力學(xué)性能承載能力進(jìn)行簡(jiǎn)化，必然導(dǎo)致箱體整體抗載能力降低，箱體局部承載區(qū)域?qū)a(chǎn)生屈曲破壞風(fēng)險(xiǎn)；其次，玻璃纖維密度比合金鋼密度低，若僅對(duì)箱體進(jìn)行局部非承載區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化鋪層，減量效果不明顯。故進(jìn)行內(nèi)外蒙皮增強(qiáng)織物鋪層簡(jiǎn)化方案不可取。

1.2 鋼架結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

包裝箱整體鋼制承力框架作為主承力構(gòu)件，與內(nèi)部桁架梁、支腳均為剛性螺接固定，能夠?qū)崿F(xiàn)箱體在堆碼時(shí)剛性傳力路徑，即上層滿(mǎn)載狀態(tài)的包裝箱質(zhì)量壓在上堆碼座，靜力載荷通過(guò)焊接在上（下）堆碼座兩側(cè)的縱向圈梁傳遞至導(dǎo)軌，導(dǎo)軌將載荷力通過(guò)支腳傳遞至地面。保證了包裝箱在各種工況下的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性[6]。基于包裝箱堆碼工況載荷力傳遞路徑情況分析，在上（下）堆碼座與箱體口位置的5處圈梁為鋼質(zhì)主承力框架，其余3處圈梁不作為主要傳力載體。

原箱體整體鋼質(zhì)承力框架結(jié)構(gòu)：8處縱向圈梁與1處橫向圈梁接口位置加工坡口，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接固定，最終形成網(wǎng)狀包絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。焊縫位置力學(xué)性能符合QJ 176A—1999要求，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度不低于母材的抗拉強(qiáng)度下限值的80%。其中，桁架梁與8處圈梁通過(guò)螺接固定于箱體內(nèi)部下表面，4個(gè)支腳分別與桁架梁螺接固定。

包裝箱輕量化設(shè)計(jì)：對(duì)局部焊接位置進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即取消箱體3條非主承力縱向圈梁，采用與圈梁等厚度玻璃纖維預(yù)制板代替[7-8]，如圖3所示?；诓煌w樹(shù)脂固化收縮率存在差異，固化過(guò)程基體材料界面應(yīng)力集中，存在開(kāi)裂隱患問(wèn)題。預(yù)制板原材料采用與箱體相同規(guī)格的環(huán)氧樹(shù)脂基體，樹(shù)脂固化時(shí)的收縮性低（不大于2%），產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，使其對(duì)各種物質(zhì)具有很高的黏附強(qiáng)度。玻璃纖維預(yù)制板采用玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂平紋布預(yù)浸料模壓工藝制備，纖維體積分?jǐn)?shù)控制在55%～60%，形成比強(qiáng)度高的玻璃鋼板材。玻璃纖維預(yù)制板擁有較好的力學(xué)性能、耐久性、耐腐蝕性、耐疲勞性等，單位質(zhì)量?jī)H為合金鋼材料的四分之一。綜上所述，開(kāi)展結(jié)構(gòu)仿真，驗(yàn)證箱體鋼架結(jié)構(gòu)減量?jī)?yōu)化方案的可行性。

圖2 原包裝箱鋼架結(jié)構(gòu)

圖3 輕量化后包裝箱鋼架結(jié)構(gòu)

2 力學(xué)仿真論證

包裝箱作為產(chǎn)品保壓貯存過(guò)程中的保障設(shè)備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足包裝箱內(nèi)壓工況、堆碼工況載荷條件下的強(qiáng)度和剛度要求[9-11]。進(jìn)行包裝箱相關(guān)工況的校核工作，采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)仿真分析。

2.1 結(jié)構(gòu)有限元模型

網(wǎng)格劃分：內(nèi)/外蒙皮、輕木層尾段采用殼單元（S4R），PVC泡沫層、鋼架、輕木層（除尾段）采用四面體單元（C3D4）。共由214 645個(gè)單元組成，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

2.2 材料屬性

復(fù)合材料包裝箱的主要材料為玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料、低合金鋼、PVC泡沫、輕木，材料屬性如表1所示[12-14]。

2.3 載荷工況

分別對(duì)2種狀態(tài)的包裝箱開(kāi)展內(nèi)壓、堆碼載荷工況有限元仿真分析計(jì)算，并對(duì)包裝箱蒙皮、鋼架、泡沫、輕木等多個(gè)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，邊界約束條件設(shè)定為包裝箱4個(gè)支腳與地面接觸。

1）內(nèi)壓載荷。依據(jù)復(fù)合材料包裝箱性能要求，包裝箱充壓縮空氣最大內(nèi)壓為30 kPa，作用于箱體內(nèi)壁。內(nèi)壓載荷設(shè)定為Pressure（壓力載荷）。

2）堆碼載荷。包裝箱鋼架結(jié)構(gòu)采用低碳合金鋼金屬材料，基于屈服強(qiáng)度失效準(zhǔn)則對(duì)堆碼工況下結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，即結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不能超過(guò)許用應(yīng)力[15]。包裝箱進(jìn)行二層堆碼，作用于箱體上堆碼座滿(mǎn)載箱體質(zhì)量為2 200 kg，根據(jù)包裝箱性能試驗(yàn)要求，安全系數(shù)為1.5，下層包裝箱承受載荷力=3.234 kN，[]=230 MPa。堆碼載荷設(shè)定為Concentrated force（集中力載荷）。

表1 材料屬性

Tab.1 Material attribute

2.4 仿真結(jié)果

2.4.1 質(zhì)量減少前后內(nèi)壓工況應(yīng)力云圖對(duì)比

1）外蒙皮?？刂茟?yīng)力顯示范圍為0～100 MPa，明顯可見(jiàn)位于箱體中間2條減量環(huán)框處的應(yīng)力水平升高，位于箱體上表面環(huán)框中間區(qū)域的最大應(yīng)力值由10 MPa增大至27 MPa，環(huán)框拐角區(qū)域由13 MPa增大至40 MPa，此處為應(yīng)力集中區(qū)域。對(duì)比其余位置均無(wú)明顯變化。云圖應(yīng)力最大值小于玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料破壞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。外蒙皮內(nèi)壓工況應(yīng)力云圖如圖5所示。

2）鋼架?？刂茟?yīng)力顯示范圍為0～300 MPa，鋼質(zhì)主承力框架位置的應(yīng)力水平基本不變，主要承載力結(jié)構(gòu)安全。其中，減量后位于箱體上表面玻璃纖維預(yù)制板中間區(qū)域比減量前金屬圈梁應(yīng)力水平明顯升高，由16.7 MPa增大至117 MPa，此處為應(yīng)力集中區(qū)域。最大應(yīng)力值仍小于Q345低合金鋼破壞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。鋼架內(nèi)壓工況應(yīng)力云圖如圖6所示。

3）PVC泡沫。控制應(yīng)力顯示范圍為0～1 MPa，明顯可見(jiàn)3條減量環(huán)框拐角區(qū)域應(yīng)力水平升高，局部應(yīng)力集中點(diǎn)由0.15 MPa增大至0.41 MPa，對(duì)比其余位置均無(wú)明顯變化。云圖應(yīng)力最大值小于PVC泡沫的破壞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。PVC泡沫內(nèi)壓工況應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖5 玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂基外蒙皮內(nèi)壓工況

圖6 鋼架（含玻璃纖維預(yù)制板）內(nèi)壓工況

圖7 PVC泡沫內(nèi)壓工況

4）輕木?？刂茟?yīng)力顯示范圍為0～4.2 MPa，對(duì)比應(yīng)力水平無(wú)明顯變化，應(yīng)力集中點(diǎn)主要分布于箱體拐角區(qū)域，最大值小于輕木力學(xué)性能破壞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。輕木內(nèi)壓工況應(yīng)力云圖如圖8所示。

5）內(nèi)蒙皮。控制應(yīng)力顯示范圍為0～35 MPa，對(duì)比應(yīng)力水平略微升高，應(yīng)力集中點(diǎn)主要分布于箱體拐角區(qū)域，最大應(yīng)力值為37.25 MPa，升高了17%，但仍小于材料破壞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。內(nèi)蒙皮內(nèi)壓工況應(yīng)力云圖如圖9所示。

2.4.2 質(zhì)量減少前后堆碼工況應(yīng)力云圖減對(duì)比

1）外蒙皮?？刂茟?yīng)力顯示范圍為0～33 MPa，對(duì)比應(yīng)力水平基本不變，應(yīng)力集中點(diǎn)主要分布于堆碼座兩側(cè)圈梁拐角區(qū)，最大值小于材料的破壞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。外蒙皮堆碼工況應(yīng)力云圖如圖10所示。

2）鋼架?？刂茟?yīng)力顯示范圍為0～300 MPa，對(duì)比應(yīng)力水平基本不變，應(yīng)力集中點(diǎn)主要位于固定支腳的鋼架梁位置，最大值小于Q345低合金鋼的破壞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。鋼架堆碼工況應(yīng)力云圖如圖11所示。

3）PVC泡沫。控制應(yīng)力顯示范圍為0～2.1 MPa，對(duì)比應(yīng)力水平基本不變，應(yīng)力集中區(qū)主要分布于4條主承力環(huán)框下端，其中PVC泡沫層在箱體拐角區(qū)域存在應(yīng)力凸點(diǎn)，由于此材料為鋼架結(jié)構(gòu)夾芯填充物，不作為主要承力載體，故不影響包裝箱整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)安全。PVC泡沫堆碼工況應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖8 輕木內(nèi)壓工況

圖9 玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂基內(nèi)蒙皮內(nèi)壓工況

圖10 玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂基外蒙皮堆碼工況

4）輕木?？刂茟?yīng)力顯示范圍為0～5.4 MPa，對(duì)比應(yīng)力水平基本不變，應(yīng)力集中區(qū)主要分布于4條主承力環(huán)框下端，結(jié)構(gòu)安全。輕木堆碼工況應(yīng)力云圖如圖13所示。

5）內(nèi)蒙皮。控制應(yīng)力顯示范圍為0～30 MPa，對(duì)比應(yīng)力水平基本不變，應(yīng)力集中點(diǎn)主要分布于堆碼座邊緣拐角區(qū)，最大值小于材料破壞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。內(nèi)蒙皮堆碼工況應(yīng)力云圖如圖14所示。

2.4.3 質(zhì)量減少前后最大位移情況云圖對(duì)比

1）內(nèi)壓工況?？刂莆灰品秶鸀?～4.7 mm，箱體內(nèi)壓工況最大形變區(qū)主要集中于箱體上表面中部區(qū)域，減量前最大位移為4.48 mm，減量后最大位移為4.69 mm。箱體局部區(qū)域形變量略微升高。最大位移云圖如圖15所示。

2）堆碼工況?？刂莆灰品秶鸀?～3.32 mm，箱體內(nèi)壓工況最大形變區(qū)主要集中于箱體上堆碼座，減量前最大位移為3.32 mm，減量后最大位移為2.21 mm。箱體形變水平無(wú)明顯變化。最大位移云圖如圖16所示。

圖11 鋼架（含玻璃纖維預(yù)制板）堆碼工況

圖12 PVC泡沫堆碼工況

圖13 輕木堆碼工況

圖14 玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂基內(nèi)蒙皮堆碼工況

圖15 內(nèi)壓工況最大位移

圖16 堆碼工況最大位移

包裝箱結(jié)構(gòu)輕量化后，在內(nèi)壓工況下應(yīng)力水平均有小幅上升，但仍處于安全范圍；在堆碼工況下，各個(gè)部件應(yīng)力水平無(wú)明顯變化，均處于安全范圍，但需控制復(fù)合材料的成型質(zhì)量，避免因工藝離散性導(dǎo)致材料實(shí)際性能降低，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)破壞。

2.5 減量結(jié)果

包裝箱輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為取消箱體3條縱向圈梁，采用等厚玻璃纖維預(yù)制板代替。經(jīng)對(duì)比，包裝箱輕量化后理論質(zhì)量減少64 kg，減少比例約5.4%，如表2所示。

表2 優(yōu)化前后質(zhì)量結(jié)果對(duì)比

Tab.2 Comparison of weight results before and after optimization

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包裝箱，從鋼架結(jié)構(gòu)減量角度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，利用ABAQUS軟件，對(duì)包裝箱的內(nèi)壓和堆碼工況進(jìn)行數(shù)值仿真及輕量化分析，經(jīng)理論計(jì)算包裝箱整體復(fù)材蒙皮、鋼架及輕木層結(jié)構(gòu)應(yīng)力水均低于各材料的屈服強(qiáng)度；其中PVC泡沫層在箱體拐角區(qū)域存在應(yīng)力凸點(diǎn)。由于此材料為鋼架結(jié)構(gòu)夾芯填充物，不作為主要承力載體，故不影響包裝箱整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定性。包裝箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，整體質(zhì)量減少比例約為5.4%，實(shí)現(xiàn)了箱體輕量化效果。內(nèi)壓工況：最大載荷應(yīng)力為344 MPa，位于減量后支腳安裝位置的鋼架表面；減量后最大載荷變形量增大了0.21 mm，應(yīng)變集中區(qū)位于箱體上表面中部。堆碼工況：最大載荷應(yīng)力為337 MPa，位于減量后支腳安裝位置的鋼架表面；最大載荷變形量減小了1.11 mm，應(yīng)變集中區(qū)位于箱體上表面中部。結(jié)合材料屬性得出材料均滿(mǎn)足使用要求。同時(shí)，結(jié)構(gòu)理論證明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)安全可靠，包裝箱各結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度系數(shù)均不小于1.5，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。分析結(jié)果可作為國(guó)內(nèi)類(lèi)似復(fù)合材料鋼架夾芯結(jié)構(gòu)包裝箱研究提供數(shù)據(jù)支撐。

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Lightweight Design and Simulation Technology of Composite Packing Box Structure

LI Nan1, LIU Lei-bo1, GONG Wen-hua1,KONG De-li2

(1. Research Institute of Aerospace Special Materials and Processing Technology, Beijing 100074, China; 2. The Sixth Representative Office in Beijing of Rocket Force, Beijing 100074, China)

The work aims to carry out lightweight design to the composite structural packing box so that the structural strength of the box can meet the requirements of internal pressure and stacking conditions. The local non-main load-bearing positions were improved and ABAQUS software was used to conduct numerical simulation analysis on the internal pressure and stacking conditions of the packing box, and the factor of safety for load conditions was 1.5. The theoretical weight reduction of the packing box was 64 kg, and the percentage of weight loss was about 5.4%. Maximum load stress was 344 MPa and deformation was 4.69 mm, meeting the requirements of use. Since the lightweight design of the packing box structure is completed, the stress level of each structure increases slightly under the internal pressure condition, while the stress level of each structure does not change significantly under the stacking condition. In conclusion, the stress level of each structure is within the safe range and will not lead to structural damage. The optimized product has achieved a lightweight effect, and it is proven that the structural improvement is safe and reliable. It can provide data support for the improvement of lightweight structure of similar composite packing boxes in China.

composite; packing box; lightweight; ABAQUS

TB482.2

A

1001-3563(2023)23-0307-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.037

2023-06-01

責(zé)任編輯：曾鈺嬋