20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱有限元分析及檢驗(yàn)規(guī)范3500字

1、20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱有限元分析及檢驗(yàn)規(guī)范3500字 1 20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱簡(jiǎn)介 20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱是上海環(huán)境物流有限公司用于城市垃圾水路和公路周轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)膶?zhuān)用集裝箱，是實(shí)現(xiàn)城市垃圾集約化管理和無(wú)害化管理的重要裝備，其垃圾裝運(yùn)量占上海城市垃圾運(yùn)輸總量的70%。集裝箱的結(jié)構(gòu)可靠性和耐用性對(duì)運(yùn)輸成本和運(yùn)輸安全的影響較大。為保證國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的安全性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for ，ISO）和中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）推出集裝箱標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和檢驗(yàn)規(guī)范。1-3目前，集裝箱箱體結(jié)構(gòu)的安全性檢測(cè)及設(shè)計(jì)過(guò)程中用到的強(qiáng)度

2、判據(jù)主要參考CCS制定的集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范（以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范）。在集裝箱（尤其是特種集裝箱）的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，除結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)外，利用有限元方法4對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化已成為常規(guī)的設(shè)計(jì)手段。例如：陶珍軍等5進(jìn)行集裝箱剛度試驗(yàn)的有限元模擬，較早地系統(tǒng)闡釋?xiě)?yīng)用有限元軟件對(duì)集裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的全過(guò)程；程鋼等6對(duì)一種特制集裝箱進(jìn)行有限元分析，并且系統(tǒng)闡釋當(dāng)集裝箱結(jié)構(gòu)不滿(mǎn)足要求時(shí)，如何利用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；劉峻等7基于ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，模擬仿真小車(chē)滾壓測(cè)試，根據(jù)底板的不同鋪設(shè)情況及小車(chē)在集裝箱內(nèi)的不同位置，按多工況對(duì)集裝箱底板進(jìn)行靜力分析；鄭艷平等8通過(guò)有限元法計(jì)算、分析壓縮天然氣瓶組集裝箱在常

3、溫環(huán)境下考慮動(dòng)態(tài)慣性力影響后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，直觀(guān)地分析其框架在受載情況下的應(yīng)力情況，并對(duì)框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)，使框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，從而提高瓶組集裝箱的安全可靠性；王琨博9計(jì)算20英尺低溫液體罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分析時(shí)采用板殼單元和梁?jiǎn)卧?個(gè)箱角剛性固定，并且將各個(gè)方向的慣性力轉(zhuǎn)化為動(dòng)壓力疊加到設(shè)計(jì)壓力上，此計(jì)算結(jié)果很好地滿(mǎn)足了規(guī)范的要求。20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱的箱體結(jié)構(gòu)采用薄形鋼板和結(jié)構(gòu)型鋼焊接而成，其幾何尺寸為?？?？，屬于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱中的1C型。不過(guò)，從使用的角度來(lái)看，環(huán)衛(wèi)集裝箱則是典型的特種集裝箱，該箱自重約為，額定裝載量為。此外，環(huán)衛(wèi)集裝箱的特殊性還表現(xiàn)在以下方面：（1）裝

4、載的貨物為城市垃圾，其成分復(fù)雜且含有大量水分，對(duì)箱體側(cè)壁的作用力較大；（2）在垃圾打包壓縮裝載的工況下，環(huán)衛(wèi)集裝箱類(lèi)似于壓力容器，箱體結(jié)構(gòu)四周所有壁面均承受來(lái)自壓縮機(jī)推頭的內(nèi)壓力作用，該壓力與打包壓縮機(jī)推頭的推力直接相關(guān)。鑒于環(huán)衛(wèi)集裝箱在使用過(guò)程中的特殊性，本文利用有限元軟件，分別進(jìn)行在規(guī)范要求下集裝箱框架結(jié)構(gòu)的靜力分析和考慮壓縮裝載工況時(shí)集裝箱框架結(jié)構(gòu)的靜力分析，并將之與實(shí)際使用情況進(jìn)行比較，以期為此類(lèi)集裝箱的設(shè)計(jì)和檢測(cè)提供參考。2 計(jì)算模型2.1 有限元模型首先，利用Femap軟件建立集裝箱幾何模型，考慮到環(huán)衛(wèi)集裝箱多個(gè)工況載荷的對(duì)稱(chēng)性，僅建立一半模型；然后，在幾何模型的基礎(chǔ)上劃分有限元網(wǎng)

5、格，集裝箱各構(gòu)件（如立柱、端橫梁、各類(lèi)板材等）均采用板單元模擬。網(wǎng)格大小控制在?？左右，單元數(shù)為，節(jié)點(diǎn)數(shù)為。20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱幾何模型及有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖13，箱體主體結(jié)構(gòu)采用普通鋼Q235。2.2 計(jì)算工況依據(jù)規(guī)范（2012），結(jié)合20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱裝載實(shí)況，共選取5種典型的試驗(yàn)裝載工況，并計(jì)算各工況所對(duì)應(yīng)的載荷值（見(jiàn)表1）。3 計(jì)算結(jié)果及分析3.1 按照規(guī)范要求計(jì)算集裝箱各構(gòu)件所受應(yīng)力及變形情況按照表1中計(jì)算工況的要求，對(duì)20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，獲得其在規(guī)范要求下的應(yīng)力及變形情況如圖4所示，5種典型工況下集裝箱各構(gòu)件的最大變形量和最大應(yīng)力值見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)：在規(guī)范設(shè)定的計(jì)算載

6、荷條件下，20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為，發(fā)生在靠近角件的前門(mén)楣處；最大變形量為，發(fā)生在底板上；側(cè)板變形量較小，僅為，而不受貨物直接作用力影響的頂板的變形量不到。由計(jì)算結(jié)果可知，箱體結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力值不高，均在材料屈服強(qiáng)度以?xún)?nèi)，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生永久性變形現(xiàn)象。然而，從環(huán)衛(wèi)集裝箱的實(shí)際使用情況來(lái)看，除框架變形不明顯外，底板、側(cè)板、頂板均發(fā)生明顯的永久性變形（見(jiàn)圖4）：箱體結(jié)構(gòu)四周壁面板格可見(jiàn)明顯的外凸，板格面積越大，其變形量越大，尤其是幾乎不受箱內(nèi)貨物直接作用力影響的頂板亦出現(xiàn)不同程度的永久性變形。由此可見(jiàn)，規(guī)范設(shè)定的檢驗(yàn)工況并不能反映環(huán)衛(wèi)集裝箱的實(shí)際使用工況。3.2 施加壓縮裝載工況后計(jì)算集裝箱各

7、構(gòu)件所受應(yīng)力及變形情況通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱除具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的吊裝、堆碼、轉(zhuǎn)運(yùn)等工況外，還具有打包壓縮裝載的特殊工況（見(jiàn)圖5）。該工況的基本流程如下：首先，垃圾壓縮機(jī)艙門(mén)與集裝箱后門(mén)通過(guò)3個(gè)卸扣緊密對(duì)接；然后，壓縮機(jī)推頭將壓縮打包好的半緊實(shí)垃圾塊推送至箱內(nèi)，推送過(guò)程中壓縮機(jī)械設(shè)備借助箱體結(jié)構(gòu)對(duì)垃圾進(jìn)行再次壓縮，直至集裝箱箱門(mén)能夠關(guān)上；最后，關(guān)上箱門(mén)。在此過(guò)程中，集裝箱類(lèi)似于承受內(nèi)壓的壓力容器，箱體結(jié)構(gòu)的5個(gè)壁面承受來(lái)自壓縮機(jī)推頭的內(nèi)壓力作用，該壓力與打包壓縮機(jī)推頭的推力和推頭移動(dòng)的速度直接相關(guān)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，該壓力最大值約為0.033 MPa。對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮裝載工況的有限元

8、計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明，在集裝箱頂板、側(cè)板、底板均出現(xiàn)超出屈服極限的高應(yīng)力區(qū)。為此，本文對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線(xiàn)性靜力分析，材料非線(xiàn)性數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)10，材料屈服極限值取，通過(guò)計(jì)算獲得箱體結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在壓縮裝載工況下的最大變形量和最大應(yīng)力值（見(jiàn)表3）。分析顯示：在壓縮裝載工況下，20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱頂板、側(cè)板、底板結(jié)構(gòu)均有超出屈服極限的區(qū)域，屈服點(diǎn)均位于頂板、側(cè)板及底板的板格上，靠近橫梁、門(mén)楣或門(mén)檻的位置，箱體結(jié)構(gòu)中的骨架結(jié)構(gòu)（如頂橫梁、側(cè)背梁及底橫梁等）的應(yīng)力均在彈性范圍內(nèi)；箱體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，最大變形量為，位于頂板板格，因?yàn)轫敯遄畋。瑐?cè)板的最大變形量為，底板的最大變形量為。壓縮裝載工況下20英尺環(huán)衛(wèi)

9、集裝箱的應(yīng)力和應(yīng)變分布見(jiàn)圖6。對(duì)比圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn)，有限元數(shù)值模擬結(jié)果與環(huán)衛(wèi)集裝箱箱體結(jié)構(gòu)實(shí)際發(fā)生的永久性變形基本吻合。 從20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱壓縮裝載工況的非線(xiàn)性靜力計(jì)算及分析結(jié)果來(lái)看，模擬仿真結(jié)果與環(huán)衛(wèi)集裝箱實(shí)際使用情況吻合。在壓縮裝載工況下，環(huán)衛(wèi)集裝箱箱體結(jié)構(gòu)的永久性變形是由壓縮機(jī)推頭推力產(chǎn)生的內(nèi)壓力通過(guò)貨物傳遞至箱壁面而引起的，該載荷為進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)評(píng)估的決定性載荷。4 結(jié)束語(yǔ)本文依據(jù)規(guī)范設(shè)定載荷工況和實(shí)際裝載工況，采用有限元方法對(duì)20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱進(jìn)行多工況下的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與集裝箱的真實(shí)使用情況進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明：（1）20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱在使用條件上

10、有很大差別，僅基于規(guī)范設(shè)定的計(jì)算載荷對(duì)此類(lèi)集裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不妥的，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮箱體結(jié)構(gòu)的壓縮裝載工況，在該工況條件下，箱體結(jié)構(gòu)承受較大的內(nèi)壓作用，這是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和檢測(cè)的決定性條件；（2）建議對(duì)現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行修訂，增加20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算校核和檢測(cè)相關(guān)內(nèi)容。參考文獻(xiàn)：1 中國(guó)船級(jí)社.集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范S. 2012.2 張敬軒. 試談國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱箱體結(jié)構(gòu)的基本理論（上）J. 交通標(biāo)準(zhǔn)化，2001（5）：30-33.3 張敬軒. 試談國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱箱體結(jié)構(gòu)的基本理論（下）J. 交通標(biāo)準(zhǔn)化，2001（6）：31-33.4 王勖成.有限單元法M. 北京：清華大學(xué)出版社，2003：163- 169.5 陶珍軍，林德浩，劉旺玉，等. 集裝箱剛度試驗(yàn)的有限元模擬J. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1994，22（5）：26- 31.6 程鋼，史寶軍. 一種特制集裝箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元分析J. 山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（4）：355-358.7 劉峻，高建和. 基于有限元的集裝箱底板靜力分析J.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（12）：95