鋁制包裝箱搬運過程跌落分析

（中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

鋁制包裝箱搬運過程跌落分析

曲曉宇 花 拓

（中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

針對某鋁制包裝箱，對其進(jìn)行跌落仿真分析，研究其跌落過程中的應(yīng)力與變形。本文采用ANSYS/LS-DYNA對其進(jìn)行彈塑性條件下的跌落模擬分析，采用應(yīng)力失效與應(yīng)變失效相結(jié)合的方法進(jìn)行安全評定，證明該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

包裝箱；跌落；有限元；仿真分析；LS-DYNA

1 引言

某項目中使用了一種鋁制包裝箱，經(jīng)常需要人工搬運，設(shè)計要求對該包裝箱搬運過程中偶然跌落事件進(jìn)行動態(tài)仿真，分析結(jié)構(gòu)的強度、變形等關(guān)鍵力學(xué)性能，保證跌落過程中包裝箱不破損。

箱體跌落過程中，在較短時間內(nèi)，箱體與地面接觸碰撞區(qū)附近產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)域并發(fā)生塑性變形，本文基于彈塑性力學(xué)理論，應(yīng)用有限元軟件，得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分布[1-2]，應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA程序，采用顯式算法求解復(fù)雜的接觸碰撞問題。

碰撞問題運動方程一般表達(dá)式為：

2 有限元仿真設(shè)定

2.1 建立模型

計算模型中包裝箱主體采用殼單元模擬，箱墊橡膠材料與混凝土地面采用體單元模擬。定義包裝箱從離地面h=1.2m處跌落，跌落方式為箱體保持水平沿重力方向向下跌落，并設(shè)置重力加速度為9.81m/s2，模型如圖1所示。跌落情況下，包裝箱在沖擊與重力共同作用下形成如下若干次向下跌落——向上彈至最高點——向下跌落的往復(fù)運動，但在一個周期作用后，已耗損較多的能量，為縮短計算時長并簡化分析，這里僅分析一個周期作用下的運動過程。

2.2 接觸算法

結(jié)構(gòu)間的相互作用通過接觸計算完成，接觸面設(shè)置是沖擊分析的必要前提，這就需要在可能發(fā)生接觸作用的結(jié)構(gòu)間定義接觸面，接觸面能夠有效的模擬結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并允許連續(xù)不斷的接觸與滑動。接觸類型分為三類：即單面接觸、點面接觸、面面接觸。單面接觸是LSDYNA程序中應(yīng)用最為廣泛的接觸類型，程序?qū)⑺阉髂Ｐ椭械乃型獗砻?，檢查其間是否相互發(fā)生穿透。本文采用自動單面接觸進(jìn)行接觸分析。

2.3 材料本構(gòu)

材料的本構(gòu)是碰撞分析前的重要參數(shù)，為了真實的體現(xiàn)材料特性，需建立適合的材料本構(gòu)關(guān)系，由于各種材料本構(gòu)關(guān)系相對復(fù)雜，分別做如下定義。

（1）鋁材（3003鋁材與5A06鋁材）選用彈塑性雙線性隨動材料本構(gòu)關(guān)系，有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 鋁材材料參數(shù)

（2）橡膠材料是各向同性不可壓縮的超彈性體，選用Mooney-Rivlin模型構(gòu)建本構(gòu)關(guān)系，有關(guān)參數(shù)為常數(shù)C10= 0.3375，常數(shù)C01= 0.0338，泊松比ν=0.495，密度ρ=870kg/m3。

（3）混凝土地面選用線彈性本構(gòu)關(guān)系，有關(guān)參數(shù)為彈性模量E= 3×104MPa，泊松比ν= 0.19，密度ρ = 2750 kg/m3。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

包裝箱在重力作用下做自由落體運動與地面發(fā)生碰撞，伴隨碰撞過程，沖擊力主要作用于底部與支腿連接處墊板周邊區(qū)域，此處呈現(xiàn)高應(yīng)力現(xiàn)象，該區(qū)域迅速進(jìn)入塑性變形階段并向外擴展。分析等效應(yīng)力結(jié)果，在跌落至最深位置處箱體產(chǎn)生最大應(yīng)力如圖2所示，最大應(yīng)力點時間歷程曲線如圖3所示。

3.2 應(yīng)變分析

撞擊過程表明，伴隨底部與支腿連接處墊板周邊高應(yīng)力區(qū)域的產(chǎn)生并擴大，此處發(fā)生最大應(yīng)變。分析等效應(yīng)變結(jié)果，在跌落至最深位置處箱體產(chǎn)生最大應(yīng)變，如圖4所示。

3.3 結(jié)果分析評判

圖2 包裝箱跌落應(yīng)力分布

對沖擊分析的結(jié)果采用應(yīng)力失效法與應(yīng)變失效法進(jìn)行評定。沖擊過程中，雖然存在不可恢復(fù)的塑性變形，但未造成結(jié)構(gòu)的破壞，認(rèn)為該結(jié)構(gòu)安全；若等效應(yīng)力與等效應(yīng)變超過許可范圍，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)破壞或撕裂。即包裝箱在受到?jīng)_擊作用時產(chǎn)生的等效應(yīng)力應(yīng)低于材料本身的抗拉強度，產(chǎn)生的等效應(yīng)變應(yīng)低于材料延長率。由圖2及圖4，結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為52.91MPa，小于材料抗拉強度130 MPa，結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)變?yōu)?.06，小于材料延長率0.2，包裝箱符合安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

此外，對包裝箱詳細(xì)分析，在碰撞作用后其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形控制在合理范圍，不影響內(nèi)部物料的存貯；結(jié)果分析時不考慮橡膠件的破壞失效。

結(jié)語

為解決鋁制包裝箱搬運過程中偶然跌落事故下的跌落沖擊問題，應(yīng)用彈塑性力學(xué)理論，采用ANSYS/LS-DYNA分析了該鋁制包裝箱在水平跌落狀態(tài)下的力學(xué)行為，根據(jù)應(yīng)力失效和應(yīng)變失效的評定方法進(jìn)行安全評估，證明此包裝箱滿足規(guī)定的 安全性需求，同時變形也在可控范圍內(nèi)。該沖擊計算分析方法對于設(shè)計更好的抗跌落、抗沖擊產(chǎn)品具有一定的借鑒意義。

圖3 包裝箱跌落最大應(yīng)力點時程曲線

[1]張萬平，徐定耿，陳松，等.乏燃料貯存格架在組件跌落事故中的沖擊分析[J].振動與沖擊，2010，29（12）：187-189.

[2]張文明，王濤，張華兵，等.基于ANSYS/LS-DYNA船橋碰撞分析[J].中國水運，2006，06（11），21-23.

圖4 包裝箱水平跌落應(yīng)變分布

[3]柴群，萬朝燕.基于ANSYS/LSDYNA的渦輪蝸桿動態(tài)接觸分析[J].現(xiàn)代制造工程，2006，11，46-48.

[4]郝長千，唐華平，聶拓，等.橡膠緩沖器接觸碰撞有限元分析[J].現(xiàn)代制造工程，2009，03，63-65.

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