擴(kuò)展集裝箱式活動(dòng)房中的集裝箱優(yōu)化設(shè)計(jì)(1)

2013年8月28日

摘要：用有限元分析軟件對(duì)改進(jìn)的擴(kuò)展集裝箱式活動(dòng)房中的集裝箱在各裝卸工況下的應(yīng)力、位移進(jìn)行了分析計(jì)算，同時(shí)利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想對(duì)該集裝箱的主要受力構(gòu)件進(jìn)行了尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。在相同工況下，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果與優(yōu)化前的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，箱體自重降低了15%，箱體最大應(yīng)力由162MPa降低到126MPa，且最大應(yīng)力發(fā)生的位置也有變動(dòng)；最大變形由8181mm增加到1219mm，位置均在底面短梁與輔助長(zhǎng)梁中心區(qū)域；主要受力構(gòu)件--底面長(zhǎng)梁的應(yīng)力和撓度均有降低。

關(guān)鍵詞：集裝箱 有限元分析 應(yīng)力 位移 優(yōu)化設(shè)計(jì)

擴(kuò)展集裝箱式活動(dòng)房中的集裝箱是在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的基礎(chǔ)上改制而成的。將標(biāo)準(zhǔn)集裝箱側(cè)瓦楞板用可折疊式圍板代替，圍板與圍板、圍板與集裝箱立柱間用鉸鏈連接，通過(guò)箱體兩側(cè)地基梁，可將圍板拉出來(lái)形成擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，加上屋架與屋面板等可組成擴(kuò)展集裝箱式活動(dòng)房(如圖 1)。

圖 1 擴(kuò)展集裝箱式活動(dòng)房立面

由于活動(dòng)房儲(chǔ)運(yùn)部分是由標(biāo)準(zhǔn)集裝箱(外形為6058mm×2438mm×2438mm)去掉兩側(cè)瓦楞板而成，那么這種集裝箱的力學(xué)性能將降低。經(jīng)初步計(jì)算裝載房屋設(shè)施后(總重80kN)，該集裝箱不能滿足各裝卸工況要求。為此，經(jīng)分析驗(yàn)算，對(duì)箱體提出以下改進(jìn)方案(改進(jìn)后體形見(jiàn)圖 2)： 1)在集裝箱底面加輔助長(zhǎng)梁；2)在集裝箱兩側(cè)面加拉桿(鋼筋直徑同門(mén)側(cè))；3)增加頂面/底面長(zhǎng)梁截面尺寸；4)在頂面/底面長(zhǎng)梁內(nèi)增加鋼板。對(duì)改進(jìn)后的集裝箱在各工況下的應(yīng)力、位移進(jìn)行了模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想對(duì)頂面起吊這一最不利工況下集裝箱的主要受力構(gòu)件進(jìn)行了尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖 2 改進(jìn)后的集裝箱有限元模型

1、改進(jìn)設(shè)計(jì)后箱體有限元模型及計(jì)算結(jié)果

集裝箱由包角、橫梁、立柱、瓦楞板及拉桿等構(gòu)件組成，各構(gòu)件材料均為Q235。為了解各構(gòu)件的細(xì)部力學(xué)特性，箱體有限元模型主體(梁、柱等構(gòu)件)采用二維板殼單元模擬，底面短梁、底面輔助長(zhǎng)梁及拉桿采用梁?jiǎn)卧M改進(jìn)后箱體有限元模型如圖 2，各構(gòu)件截面尺寸見(jiàn)表 1，頂面長(zhǎng)梁和底面長(zhǎng)梁截面形狀如圖 3。

圖 3 頂面/底面長(zhǎng)梁截面

表 1 各構(gòu)件幾何尺寸

構(gòu)件名稱(chēng)	數(shù)量/個(gè)	尺寸/mm
包角	8	178@162@128@11(厚度)
底面長(zhǎng)梁	2	220@60@6方鋼
頂面長(zhǎng)梁	2	120@60@6方鋼
門(mén)側(cè)立柱	2	230@46@6；113@60@10槽鋼
瓦楞側(cè)立柱	2	113@60@4方鋼
瓦楞側(cè)上橫梁	1	120@70@4方鋼
瓦楞側(cè)下橫梁	1	220@70@4方鋼
門(mén)側(cè)上橫梁	1	120@70@4方鋼
門(mén)側(cè)下橫梁	1	220@70@4方鋼
底面短梁	12	120@45@4槽鋼
底面輔助長(zhǎng)梁	2	60@45@4方鋼
拉桿	10	<20鋼筋
瓦楞板	2	80(間隔)@20(高度)@2(厚度)

本次力學(xué)分析中，集裝箱共受80kN的重力載荷，其中箱體自重17kN，箱內(nèi)設(shè)施及房件等重63kN(假設(shè)該部分重力載荷均勻作用于集裝箱各底面短梁上)。本次分析各工況及邊界條件分別為：勻速吊起——單個(gè)吊起點(diǎn)約束；27b裝車(chē)狀態(tài)——底面長(zhǎng)梁在27b斜面上的支撐及后瓦楞側(cè)四個(gè)包角約束；叉車(chē)托起狀態(tài)——底面長(zhǎng)梁叉車(chē)孔處及底面輔助長(zhǎng)梁的局部區(qū)域約束。

分別對(duì)不同工況下箱體的受力情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到各工況時(shí)的應(yīng)力、位移。集裝箱勻速起吊時(shí)，將鋼絲繩一端與箱體頂面四個(gè)包腳相連，另一端掛在吊車(chē)上，通過(guò)吊鉤將鋼絲繩約束。設(shè)吊鉤距箱體頂面距離為115m，起吊時(shí)荷載動(dòng)力系數(shù)為112。計(jì)算時(shí)不考慮鋼絲繩的質(zhì)量和變形(用多點(diǎn)約束模擬)。下面只列出了勻速起吊時(shí)的集裝箱的計(jì)算結(jié)果(計(jì)算知27b裝車(chē)狀態(tài)及叉車(chē)托起狀態(tài)狀態(tài)中以勻速起吊為最不利工況)如圖 4、圖 5。

圖 4 吊起時(shí)箱體應(yīng)力場(chǎng)分布

圖 5 吊起時(shí)箱體位移場(chǎng)分布

從圖 4、圖 5計(jì)算結(jié)果可以看出，改進(jìn)設(shè)計(jì)后勻速吊起時(shí)，箱體最大應(yīng)力發(fā)生于瓦楞側(cè)立柱與底部包腳交接處，合成應(yīng)力為162MPa，最大變形發(fā)生在底面短梁與輔助長(zhǎng)梁中心區(qū)域，撓度為8181mm。底面長(zhǎng)梁的最大應(yīng)力為8411MPa，最大撓度為6141mm，滿足設(shè)計(jì)要求，其余構(gòu)件應(yīng)力和撓度均滿足要求。

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擴(kuò)展集裝箱式活動(dòng)房中的集裝箱優(yōu)化設(shè)計(jì)(完)

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