20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱有限元分析及檢驗規(guī)范

徐舜吉　操安喜　沈聰　金永興

1 20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱簡介

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)運輸?shù)膶Ｓ眉b箱，是實現(xiàn)城市垃圾集約化管理和無害化管理的重要裝備，其垃圾裝運量占上海城市垃圾運輸總量的70%。集裝箱的結(jié)構(gòu)可靠性和耐用性對運輸成本和運輸安全的影響較大。為保證國際標準集裝箱的安全性，國際標準化組織（International Organization for ，ISO）和中國船級社（China Classification Society，CCS）推出集裝箱標準規(guī)范和檢驗規(guī)范。[1-3]

目前，集裝箱箱體結(jié)構(gòu)的安全性檢測及設(shè)計過程中用到的強度判據(jù)主要參考CCS制定的《集裝箱檢驗規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）。在集裝箱（尤其是特種集裝箱）的設(shè)計和開發(fā)過程中，除結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)外，利用有限元方法[4]對箱體結(jié)構(gòu)進行計算和優(yōu)化已成為常規(guī)的設(shè)計手段。例如：陶珍軍等[5]進行集裝箱剛度試驗的有限元模擬，較早地系統(tǒng)闡釋應(yīng)用有限元軟件對集裝箱進行結(jié)構(gòu)分析的全過程；程鋼等[6]對一種特制集裝箱進行有限元分析，并且系統(tǒng)闡釋當集裝箱結(jié)構(gòu)不滿足要求時，如何利用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；劉峻等[7]基于ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言，模擬仿真小車滾壓測試，根據(jù)底板的不同鋪設(shè)情況及小車在集裝箱內(nèi)的不同位置，按多工況對集裝箱底板進行靜力分析；鄭艷平等[8]通過有限元法計算、分析壓縮天然氣瓶組集裝箱在常溫環(huán)境下考慮動態(tài)慣性力影響后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，直觀地分析其框架在受載情況下的應(yīng)力情況，并對框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出改進意見，使框架結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，從而提高瓶組集裝箱的安全可靠性；王琨博[9]計算20英尺低溫液體罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)強度，分析時采用板殼單元和梁單元，4個箱角剛性固定，并且將各個方向的慣性力轉(zhuǎn)化為動壓力疊加到設(shè)計壓力上，此計算結(jié)果很好地滿足了《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？？，屬于國際標準集裝箱中的1C型。不過，從使用的角度來看，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）裝載的貨物為城市垃圾，其成分復(fù)雜且含有大量水分，對箱體側(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)集裝箱類似于壓力容器，箱體結(jié)構(gòu)四周所有壁面均承受來自壓縮機推頭的內(nèi)壓力作用，該壓力與打包壓縮機推頭的推力直接相關(guān)。鑒于環(huán)衛(wèi)集裝箱在使用過程中的特殊性，本文利用有限元軟件，分別進行在《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集裝箱框架結(jié)構(gòu)的靜力分析，并將之與實際使用情況進行比較，以期為此類集裝箱的設(shè)計和檢測提供參考。

2 計算模型

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)集裝箱多個工況載荷的對稱性，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)格，集裝箱各構(gòu)件（如立柱、端橫梁、各類板材等）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)格模型見圖1～3，箱體主體結(jié)構(gòu)采用普通鋼Q235。

2.2 計算工況

依據(jù)《規(guī)范》（2012），結(jié)合20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱裝載實況，共選取5種典型的試驗裝載工況，并計算各工況所對應(yīng)的載荷值（見表1）。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 按照《規(guī)范》要求計算集裝箱各構(gòu)件所受應(yīng)力及變形情況

按照表1中計算工況的要求，對20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱箱體結(jié)構(gòu)進行計算，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)力值見表2。

由表2可見：在《規(guī)范》設(shè)定的計算載荷條件下，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，均在材料屈服強度以內(nèi)，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生永久性變形現(xiàn)象。然而，從環(huán)衛(wèi)集裝箱的實際使用情況來看，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（見圖4）：箱體結(jié)構(gòu)四周壁面板格可見明顯的外凸，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，《規(guī)范》設(shè)定的檢驗工況并不能反映環(huán)衛(wèi)集裝箱的實際使用工況。

3.2 施加壓縮裝載工況后計算集裝箱各構(gòu)件所受應(yīng)力及變形情況

通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱除具有國際標準集裝箱的吊裝、堆碼、轉(zhuǎn)運等工況外，還具有打包壓縮裝載的特殊工況（見圖5）。該工況的基本流程如下：首先，垃圾壓縮機艙門與集裝箱后門通過3個卸扣緊密對接；然后，壓縮機推頭將壓縮打包好的半緊實垃圾塊推送至箱內(nèi)，推送過程中壓縮機械設(shè)備借助箱體結(jié)構(gòu)對垃圾進行再次壓縮，直至集裝箱箱門能夠關(guān)上；最后，關(guān)上箱門。在此過程中，集裝箱類似于承受內(nèi)壓的壓力容器，箱體結(jié)構(gòu)的5個壁面承受來自壓縮機推頭的內(nèi)壓力作用，該壓力與打包壓縮機推頭的推力和推頭移動的速度直接相關(guān)。經(jīng)試驗測定，該壓力最大值約為0.033 MPa。

對箱體結(jié)構(gòu)進行壓縮裝載工況的有限元計算分析，計算結(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，本文對箱體結(jié)構(gòu)進行非線性靜力分析，材料非線性數(shù)據(jù)取自文獻[10]，材料屈服極限值取，通過計算獲得箱體結(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，屈服點均位于頂板、側(cè)板及底板的板格上，靠近橫梁、門楣或門檻的位置，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，因為頂板最薄，側(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)集裝箱的應(yīng)力和應(yīng)變分布見圖6。對比圖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性靜力計算及分析結(jié)果來看，模擬仿真結(jié)果與環(huán)衛(wèi)集裝箱實際使用情況吻合。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推頭推力產(chǎn)生的內(nèi)壓力通過貨物傳遞至箱壁面而引起的，該載荷為進行箱體結(jié)構(gòu)評估的決定性載荷。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)《規(guī)范》設(shè)定載荷工況和實際裝載工況，采用有限元方法對20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱進行多工況下的結(jié)構(gòu)靜強度計算，并將計算結(jié)果與集裝箱的真實使用情況進行對比研究，結(jié)果表明：（1）20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱與國際標準集裝箱在使用條件上有很大差別，僅基于《規(guī)范》設(shè)定的計算載荷對此類集裝箱進行結(jié)構(gòu)設(shè)計是不妥的，設(shè)計過程中應(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，這是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和檢測的決定性條件；（2）建議對現(xiàn)有《規(guī)范》進行修訂，增加20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱箱體結(jié)構(gòu)強度計算校核和檢測相關(guān)內(nèi)容。

參考文獻：

[1] 中國船級社.集裝箱檢驗規(guī)范[S]. 2012.

[2] 張敬軒. 試談國際標準集裝箱箱體結(jié)構(gòu)的基本理論（上）[J]. 交通標準化，2001（5）：30-33.

[3] 張敬軒. 試談國際標準集裝箱箱體結(jié)構(gòu)的基本理論（下）[J]. 交通標準化，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. 集裝箱剛度試驗的有限元模擬[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報：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)計有限元分析[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報，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)自動化，2012，34（12）：95-98.

[8] 鄭艷平，朱厚軍. CNG瓶組集裝箱框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析[J].包裝與食品機械，2012，30（5）：25-28.

[9] 王琨博. 20英尺低溫液體罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)強度計算[J].中國化工裝備，2014（5）：15-18.

[10] 張磊. Q235鋼拉伸性能的有限元仿真與試驗[D].吉林：吉林大學(xué)，2012.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-03-28）