基于ANSYS的液氯罐式集裝箱有限元分析

王　強(qiáng)　楊春明　王慶國　魏佳廣

（1．中航黎明錦西化工機(jī)械（集團(tuán)）有限責(zé)任公司　2.海洋石油工程股份有限公司）

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基于ANSYS的液氯罐式集裝箱有限元分析

王強(qiáng)*1楊春明1王慶國1魏佳廣2

（1．中航黎明錦西化工機(jī)械（集團(tuán)）有限責(zé)任公司2.海洋石油工程股份有限公司）

摘要以1CC型液氯罐式集裝箱為例，建立有限元分析模型。將介質(zhì)慣性力處理為靜載荷和動載荷，分別采用等效質(zhì)量法、平均壓強(qiáng)法和沖擊載荷法三種不同加載方式對1CC型液氯罐式集裝箱進(jìn)行有限元分析計算。結(jié)果表明，三種不同加載方式對罐體本身的應(yīng)力強(qiáng)度差別較小，而對于罐式集裝箱的框架和鞍座應(yīng)力強(qiáng)度的差別則很大。

關(guān)鍵詞罐式集裝箱慣性力應(yīng)力有限元分析液氯載荷

*王強(qiáng)，男，1977年生，碩士，工程師。葫蘆島市，125001。

0　引言

罐式集裝箱具有一次性投資小、裝載量大、營運(yùn)費(fèi)用低、符合國際潮流等顯著優(yōu)點(diǎn)，長期使用可大幅降低裝運(yùn)成本，經(jīng)濟(jì)性極佳。由于罐式集裝箱屬于移動型設(shè)備，因此既要考慮其在運(yùn)行過程中受本身重力的影響，還要考慮其在運(yùn)輸過程中受慣性力的影響。在有限元計算中，慣性力的加載方式大致有三種：等效質(zhì)量法、平均壓強(qiáng)法以及沖擊載荷法。本文以1CC液氯罐式集裝箱為例，考察了三種慣性力加載方式對集裝箱強(qiáng)度的影響，并依據(jù)《國際海運(yùn)危險貨物規(guī)則》[1]（IMDG CODE）中的有關(guān)要求，計算罐式集裝箱在運(yùn)輸過程中各種慣性力作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，利用《集裝箱檢驗規(guī)范》[2]（2012版）進(jìn)行強(qiáng)度校核。

等效質(zhì)量法：所謂等效質(zhì)量法，就是將物料質(zhì)量以及設(shè)備凈質(zhì)量等效在罐壁上。在計算時對罐體的密度進(jìn)行等效，將介質(zhì)的慣性力處理為體積力靜載荷，它符合JB/T 4781—2005《液化氣體罐式集裝箱》[3]中的規(guī)定，可考慮將慣性力載荷均勻施加于罐體形心。

平均壓強(qiáng)法：將介質(zhì)慣性力均勻分布在罐體垂直于對應(yīng)運(yùn)動方向的投影面上。將介質(zhì)慣性力處理為面積力靜載荷，符合《集裝箱檢驗規(guī)范》中的慣性力應(yīng)均勻分布在垂直于對應(yīng)運(yùn)動方向的投影面上的規(guī)定。

沖擊載荷法：對液體的晃動過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并且將晃動過程中產(chǎn)生的介質(zhì)靜壓強(qiáng)作用于罐體上。

1 1CC液氯罐式集裝箱主要技術(shù)參數(shù)

1CC液氯罐式集裝箱的設(shè)計參數(shù)如表1所示。1CC液氯罐式集裝箱的材料參數(shù)如表2所示。

表1　1CC液氯罐式集裝箱的設(shè)計參數(shù)特性

表2　1CC液氯罐式集裝箱的材料參數(shù)

2計算原理及工況

2.1 1CC液氯罐式集裝箱模型的建立

1CC液氯罐式集裝箱設(shè)計時罐體和罐體上的開孔首先應(yīng)滿足中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范》和GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[4]的相關(guān)規(guī)定。在應(yīng)力分析過程中對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略罐體上的各種開口，這樣既不影響整體計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，又大大簡化了計算工作量。由于罐式集裝箱的罐體具有薄殼的幾何特征[5]，因此本分析中，對于框架采用空間梁單元Beam188單元進(jìn)行模擬，對于罐體及支座采用板殼Shell181單元進(jìn)行模擬。以罐體運(yùn)動方向為X軸正半軸，按照右手定則建立直角坐標(biāo)系，并建立1CC罐式集裝箱整體空間立體模型。具體的有限元網(wǎng)格模型見圖1。

圖1　1CC罐式集裝箱有限元模型

2.2慣性力的加載

根據(jù)中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范》（2012版）中關(guān)于罐式集裝箱有限元計算指南的一般規(guī)定，罐式集裝箱在運(yùn)行過程中承受以下四種慣性力。

（1）在運(yùn)動方向：慣性力為額定質(zhì)量的2倍重力加速度2mg。

（2）在與運(yùn)動方向成直角的水平方向：慣性力為額定質(zhì)量的1倍重力加速度mg。

（3）垂直向上：慣性力為額定質(zhì)量的1倍重力加速度mg。

（4）垂直向下:慣性力為額定質(zhì)量的2倍重力加速度2mg。

2.3慣性力的計算及邊界條件的施加

2.3.1等效質(zhì)量法的慣性力計算

根據(jù)1CC液氯罐箱的設(shè)計參數(shù)，罐體質(zhì)量為4822 kg，最大運(yùn)營質(zhì)量為17 500 kg，框架和罐體密度均為ρ=7.85×10-6kg/mm3。根據(jù)等效質(zhì)量法，將罐體內(nèi)液體的密度等效到罐體上。分析過程中罐體的等效密度為ρ′=363.39 kg/mm3。

2.3.2平均壓強(qiáng)法的慣性力計算

按照平均壓強(qiáng)法的定義和1CC液氯罐箱的圖紙幾何尺寸，當(dāng)集裝箱分別承受四種工況的慣性力時，其平均壓強(qiáng)的計算如下所述。

（1）運(yùn)動方向

投影面積：以筒體為直徑的圓；作用范圍：前封頭。

罐體內(nèi)介質(zhì)的慣性力：F0=343 350 N。

前封頭在運(yùn)動方向的投影面積：S1=2.54 m2。

平均壓強(qiáng)：Ps1=0.135 MPa。

（2）水平方向

投影面積：兩個半橢圓面積與一個矩形面積之和；作用范圍：罐體側(cè)面。

罐體內(nèi)介質(zhì)的慣性力：F0=171 675 N。

罐體側(cè)面在運(yùn)動方向的投影面積：S2=13.8 m2。

平均壓強(qiáng)：Ps2=0.012 4 MPa。

（3）垂直向上

投影面積：兩個半橢圓面積與一個矩形面積之和；作用范圍：罐體下半部。

罐體內(nèi)介質(zhì)的慣性力：F0=171 675 N。

罐體側(cè)面在運(yùn)動方向的投影面積：S3=13.8 m2。

平均壓強(qiáng)：Ps3=0.012 4 MPa。

（4）垂直向下

投影面積：兩個半橢圓面積與一個矩形面積之和；作用范圍：罐體上半部。

罐體內(nèi)介質(zhì)的慣性力：F0=343 350 N。

罐體側(cè)面在運(yùn)動方向的投影面積：S4=13.8 m2。

平均壓強(qiáng)：Ps4=0.024 8 MPa。

2.3.3沖擊載荷法的慣性力計算

當(dāng)介質(zhì)充裝系數(shù)0＜k≤0.92時，最大沖擊力公式[6]為：

Fmax=（0.216+2.029k-0.696k2）ρVa

按照沖擊載荷法的定義和1CC液氯罐箱的圖紙幾何尺寸，罐體容積V=14 m3，介質(zhì)密度ρ=1350 kg/m3，加速度a=19.6 m/s2，充裝率k=0.92。當(dāng)集裝箱分別承受四種工況的慣性力時，最大沖擊力Fmax=553 283 N，其沖擊載荷的計算如下。

（1）運(yùn)動方向：前封頭處的壓強(qiáng)Ps1=0.217 MPa。

（2）水平方向：罐體側(cè)面處的壓強(qiáng)Ps2=0.02 MPa。

（3）垂直向上：罐體下半部處的壓強(qiáng)Ps3=0.02 MPa。

（4）垂直向下：罐體上半部處的壓強(qiáng)Ps4=0.04 MPa。

根據(jù)《國際海運(yùn)危險貨物規(guī)則》的規(guī)定，沖擊工況可將介質(zhì)沖擊力處理為4倍額定質(zhì)量乘以重力加速度的靜載荷，即沖擊力載荷相當(dāng)于慣性力載荷的2倍。計算時將此附加的動載荷疊加到設(shè)計壓力上，則四種工況下集裝箱的慣性力載荷如下：

（1）運(yùn)動方向：Ps1=0.269 8 MPa。

（2）水平方向：Ps2=0.019 7 MPa。

（3）垂直向上：Ps3=0.019 7 MPa。

（4）垂直向下：Ps4=0.039 4 MPa。

3　有限元計算結(jié)果

按照上述三種慣性力加載方式分別加載，得到1CC液氯罐式集裝箱各部位的應(yīng)力分析結(jié)果，如表3～表6所示。結(jié)果的評定按《集裝箱檢驗規(guī)范》（2012版）執(zhí)行。

表4　與運(yùn)動方向成直角的水平方向時三種加載方式應(yīng)力強(qiáng)度計算結(jié)果（MPa）

基于《集裝箱檢驗規(guī)范》的強(qiáng)度評定準(zhǔn)則：

（1）考慮慣性力時，1.5σ0≤Re；

（2）堆碼試驗時，σ0≤Re。

上述式中，σ0為計算所得最大合成應(yīng)力值，Re為材料的屈服極限。

表5　垂直向上時三種加載方式應(yīng)力強(qiáng)度計算結(jié)果（MPa）

表6　垂直向下時三種加載方式應(yīng)力強(qiáng)度計算結(jié)果（MPa）

4　結(jié)論

采用ANSYS模擬分析的方法，對1CC液氯罐式集裝箱運(yùn)動過程三種不同慣性力加載應(yīng)力進(jìn)行分析和對比，得出如下結(jié)論：

（1）由于受內(nèi)壓及罐內(nèi)液體晃動沖擊的影響，四種工況下罐體應(yīng)力強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在筒體與封頭連接的局部位置，且相差不大；框架的應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)的位置不同，且應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值相差較大；同時罐體與鞍座連接處應(yīng)力值也較大。

（2）等效質(zhì)量法因?qū)⒐迌?nèi)液體質(zhì)量等效到罐體上，未考慮罐體內(nèi)液體對罐內(nèi)壁的沖擊作用，應(yīng)力強(qiáng)度最小，而平均壓強(qiáng)法次之，沖擊載荷法最大。

（3）平均壓強(qiáng)法一定程度地反映了罐內(nèi)液體沖擊對罐壁應(yīng)力的影響，適合初步估算罐體和框架的應(yīng)力強(qiáng)度。目前多數(shù)采用平均壓強(qiáng)法進(jìn)行集裝箱罐體的設(shè)計。

（4）沖擊載荷法考慮了介質(zhì)晃動因素，采用壓強(qiáng)最大值加載，計算結(jié)果偏于保守。在設(shè)計時罐體內(nèi)可考慮增設(shè)防波板，以減少介質(zhì)晃動的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]國際海事組織.國際海運(yùn)危險貨物規(guī)則（2013版）[S].

[2]中國船級社.集裝箱檢驗規(guī)范（2012版）[S].

[3]JB/T 4781—2005液化氣體罐式集裝箱[S].北京：新華出版社，2005.

[4]GB 150.1～150.4—2011壓力容器[S].

[5]李建國.壓力容器設(shè)計的力學(xué)基礎(chǔ)及其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]劉雪梅，錢才富.液體晃動的數(shù)值模擬及不同慣性力加載方式對罐式集裝箱強(qiáng)度的影響研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2009：71—75.

應(yīng)用研究

Finite Element Analysis of Liquid Chlorine Tank Container Based on ANSYS

Wang Qiang Yang Chunming Wang Qingguo Wei Jiaguang

Abstract：A finite element analysis model is established by taking 1CC liquid chlorine tank container as an example.The finite element analysis calculation of 1CC liquid chlorine tank container is carried out through the equivalent quality method,average pressure method and impact load method respectively,when the inertial force of the medium is the static and dynamic load.The results show that the stress intensities on the container of the three different loading modes are finely discriminating while that on the framework and saddle are quite different.

Key words：Tank container; Inertial force; Stress; Finite element analysis; Liquid chlorine; Load

收稿日期：（2015-07-27）

中圖分類號TQ 050.2

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.004