关于框架式集装箱的分析研究

ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新文章编号：2095－6835（2018）14－0097－02关于框架式集装箱的分析研究孙海燕1，马嘉启2（1.青岛黄海学院，山东青岛266427；2.青岛中集集装箱制造有限公司，山东青岛266599）摘要：介绍了一种关于20’框架式集装箱的设计和研究，对框架式集装箱进行了整体受力分析，同时，对框架中压杆部分的稳定性也进行了相关的计算。对于杆系类型的结构，特别是细长杆，其破坏形式主要是来源于压杆失稳，因此，重点研究了其中受压杆件的稳定性问题。这种箱体应用广泛，多用于轿车或设备的运输。通过ANSYS15.0有限元分析软件，协助分析杆系中受压杆件，得到更加接近实际的受力情况，为框架结构的设计优化提供了科学的理论依据。关键词：集装箱；框架集装箱；仿真分析；ANSYS分析中图分类号：U169.49文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2018.14.0972结构设计本框架式箱体外形尺寸为标准的20’GP箱，长、宽、高分别为6058mm、2438mm、2591mm，箱体总重按照标准的30480kg来设计。箱体的8个角采用标准的集装箱角件，钢地板采用4mm的花纹钢地板，既能够保证强度要求，也具有防滑的效果。主梁及立柱采用4mm壁厚的方管，在保证强度的同时，减轻了整个框架集装箱的质量。底横梁为C形折弯件，框架斜拉筋为60mm×60mm×3mm的方管，箱体除了花纹钢地板为Q235材质、角件为铸钢材料外，其余均为耐候钢。为了增加焊接面积，避免因应力集中而引起焊缝开裂，在框架梁焊接处，设有焊接搭接板，板材厚度为8mm，箱体方案设计图见图1所示。集装箱是一种便于用机械设备进行搬运和装卸的重要物流装备，能对有包装或者无包装的货物进行装载。随着全球贸易的推进和全球经济的高速发展，集装箱物流成为一种最为重要且使用广泛的转运方式，广泛地用于各国的港口、船舶、陆运、海运等，与多种运输方式组成多式联运相配套的基础上进行设计和改造，最终实现其预想达到的存储和运输功能。根据集装箱的用途可以分为冷冻集装箱、开顶集装箱、平台集装箱、罐式集装箱以及本文所研究的框架集装箱等。本文针对框架集装箱，根据客户给出的载重的要求进行相应的设计和分析，对于框架式集装箱的推广和应用具有十分重要的实际意义。1发展背景框架式集装箱不同于常规的波纹板式集装箱，多数框架式集装箱没有顶板、侧板以及端板。当然，根据具体的要求，有的框架式集装箱只是没有箱顶和两侧。框架式集装箱主要以超重货物为主要的运载对象，也可用于装载牲畜、钢材之类的免除外包装的裸装货物，还可以用于大型、超宽、超高的货物吊装。本文研究的框架式集装箱，主要用于运输轿车或其他设备等，要求货物通过顶部吊入到箱体内部，与四周的框架梁进行栓固，这样能够极大地方便货物的装卸，给栓固人员留有足够的操作空间。同时，这种集装箱式的集成方式也极大地缩短了货物的转运周期，降低了货物的运输成本。为了降低设计制造的成本，特种的集装箱一般情况下都是采用标准集装箱外形尺寸，这样方便特种箱在标准化码头的装船卸船。本框架集装箱也需要在标准尺寸集装箱的外形尺寸上进行设计，大大降低了使用成本。设计方案图如图1所示。的庞大的物流系统。集装箱的种类多样，基本都是在标准箱.com.cn. All Rights Reserved.图1设计方案图

3受力分析考虑到箱体装载后起吊运输安全性，因此，需要对箱体进行相应的受力分析。本文主要从2个方面来校核箱体的强度，即整箱起吊时的应力分析、侧墙杆系的压杆稳定性分析。3.1整箱起吊时的应力分析由于箱体在起吊时会有一定的加速度，导致箱体受力会大于设计时的额定载荷，因此，主要分析在起吊过程中箱体·97·科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation受到的应力情况。箱体总重按照国际标准的20’箱来设计，为30480kg。实际操作起吊集装箱时，会产生一定的加速度，这个加速度值一般设定为2，因此，进行受力分析时，箱体额定载荷乘以2倍系数，为60t。为了节约运算时间，减小模型的网格数，考虑到花纹钢地板对箱体整体变形影响较小，因此，在进行受力分析时，去除了模型中薄板件钢地板。为了在模型中零件添加材料参数，在整个模型中，角件材料为铸钢，其余材料为耐候钢。为模型增加边界条件，模拟起吊时，卡尔玛对角件的连接形式为：分别固定4个顶角件的垂直自由度和水平面的旋转自由度，其余均为开放。添加重力环境，施加载荷，在每根底横梁上施加10t竖直向下的载荷。划分网格并运算，得到框架整体的应力云图，如图2所示。图2框架整体的应力云图

从应力云图中可以看出，除了部分奇点产生的应力超过了许用应力外，其余部分均满足应力要求。3.2侧墙杆系的压杆稳定性分析对于框架式结构的箱体而言，破坏形式并不是来源于强度极限的破坏，而是受压杆件失稳带来的整体框架的破坏。因此，本文还要对箱体杆系中受压杆件进行稳定性分析和研究。对于模型的简化、边界约束条件的添加、外部重力环境以及载荷施加，均与上述内容相同，划分网格并进行计算，得到框架中性层应变云图，如图3所示。图3框架中性层应变图

在图3中，选择最易失稳的杆件，也就是对中间杆件进行稳定性分析。采用有限元软件，分析最危险杆件的应力分布，忽略整个框架杆件接触点产生的应力集中，此杆件应力最大点的应力值约为83MPa，如图4所示。·98·2018年第14期

图4杆件图

此应力值虽然并未超出杆件的许用应力值，但由于此杆件为细长杆件，需要考虑到细长杆件的压杆稳定性问题。已知设计杆件的截面为60mm×60mm×3mm方管，长度为3030mm，材料为耐候钢。根据受压杆件的临界压力公式：Fcrπ2EI（l）2.（1）式（1）中：E为弹性模量，206GPa；I为截面最小惯性矩，35.1cm4；μ为压杆的长度因数，当两端铰支时μ=1；l为细长杆杆件长度，3030mm。代入数值可得临界压力Fcr=77651N，方管的横截面S=6.6cm2。得到满足稳定性条件下的极限应力[σ]=Fcr/S=117MPa＞83MPa。从计算结果可以看出，在起吊时，受压杆件的应力要小于理论计算值，且具有1.4倍的安全系数，因此，这个方案设计是合理的，且满足使用需求的。4结论本文在20’集装箱结构的基础上，设计了一种框架式集装箱，用于运输轿车或其他设备。根据载重的要求，对箱体进行了设计，在框架梁焊接处采用焊缝搭接板的形式，大大减小了应力集中，防止焊缝开裂。采用ANSYS有限元分析软件对设计的集装箱结构进行应力分析，找出结构最薄弱的环节，根据应力云图确定其应力的大小在许用应力值的范围之内。本文还结合框架式集装箱的特殊杆结构，结合压杆的临界压力公式，对细长杆件的失稳情况进行分析，验证了此方案设计的可行性。该设计有效地拓展了集装箱的使用范围，对于集装箱的进一步普及使用具有重要的实际意义。参考文献：1］全国集装箱标准化技术委员会.集装箱标准汇编［S］.北京：中国标准出版社，2002.2］张定华.工程力学［M］.北京：高等教育出版社，2014.3］刘浩.ANSYS15.0有限元分析从入门到精通［M］.北京：机械工业出版社，2014.〔编辑：张思楠〕［.com.cn. All Rights Reserved.［［