大型密封包裝箱復合結構設計與優(yōu)化分析

康寶臣，郭志軍，薛貴林

(山西汾西重工有限責任公司，山西太原030027)

0 引言

由于近幾年水中兵器產(chǎn)品的體積增大、質量增重，密封性要求更高，水中兵器密封包裝箱設計的難度也隨之加大[1-2]。水中兵器包裝箱的設計正向輕量化、簡潔化、多功能和通用化方向發(fā)展[3]。

在水中兵器包裝箱設計的過程中，既要考慮包裝箱的密封性要求，又要考慮到因產(chǎn)品和重量較大對其結構密封性的影響；同時，還要考慮到產(chǎn)品倉儲、維護操作及運輸?shù)确椒矫婷娴囊骩4]。在包裝箱的設計過程中，綜合了各個方面的因素和要求，使用了三維數(shù)字化設計、虛擬裝配技術、基于ANSYS的充內(nèi)壓-堆碼-運輸?shù)确抡嬗嬎?，采用玻璃鋼復合材料[6]。該材料是以合成樹脂為粘接劑，玻璃纖維及其制品作增強材料而制成的樹脂基復合材料，又稱為玻璃纖維增強塑料(GFRP)。玻璃鋼有質量輕、強度高，抗疲勞性能、隔熱、防潮、防銹、減振性和耐化學藥品性好，電絕緣性能優(yōu)良，施工工藝性和可設計性良好等特點，在汽車、船舶、鐵路運輸、建筑、日用品、家具、機電、化工、石油、國防等各個領域得到了廣泛的應用[5，7]。

1 設計要求

1)包裝箱外形要求(長×寬×高)：≤12 000 mm×2 000 mm×2 000 mm；

2)包裝箱自身重量：≤3 500 kg；

4)包裝箱應確保滿載充內(nèi)氣壓狀態(tài)下，吊裝、鏟運時應具有良好的強度和剛度，能實現(xiàn)庫房兩層堆碼；

5)產(chǎn)品使用壽命(不含易損件和密封圈)≥20年；

以上要求中，傳統(tǒng)鋼制包裝箱因為重量過重，無法滿足重量要求，因此需采用玻璃鋼材料，而如此大尺寸的包裝箱，單純的玻璃鋼材料是無法滿足剛度和密封要求的，故本文采用的方案為玻璃鋼與鋼骨架復合結構設計。

2 大型包裝箱的結構設計與優(yōu)化分析

箱體結構優(yōu)化設計的首要任務是提高結構的強度和剛度。大量的資料和產(chǎn)品調研總結顯示，大部分玻璃鋼包裝箱采用瓦楞結構加強箱體的剛度和強度，也有局部加鋼件的結構、局部加竹木件的結構。本文的大型包裝箱結構采用大端面密封大開蓋結構，主要有上箱體、下箱體、搭扣、密封圈、及側向防碰撞塊等直屬零部件組成。

經(jīng)過分析計算，結合設計要求，本文的大型包裝箱采用中間夾整體鋼骨架的復合結構，采用4套模具試制上箱體內(nèi)膽、上箱體外殼、下箱體內(nèi)膽和下箱體外殼，運用濕法合模技術，內(nèi)膽和外殼與鋼骨架緊密貼合與粘結，保證整個包裝箱的強度和剛度要求。經(jīng)過多次的優(yōu)化與計算分析，大型包裝箱三維模型結構如圖1所示。

上箱體是包裝箱的主要構成，和下箱體對接配合實現(xiàn)箱體密封，保證滿載充內(nèi)壓狀態(tài)下結構強度和剛度要求，包含上箱體支架組、玻璃鋼內(nèi)膽組、玻璃鋼外殼組、儀表系統(tǒng)，上接插塊等，結構如圖2。

下箱體是包裝箱的主要構成，和上箱體對接配合實現(xiàn)箱體密封，保證滿載充內(nèi)壓狀態(tài)下起吊和叉車鏟運的結構強度和剛度要求，包含下箱體支架組、玻璃鋼內(nèi)膽組、玻璃鋼外殼組、電檢查接口，下接插塊、堆碼塊、橡膠支座等，結構如圖3。

它指的是，在材料進場之前，項目方根據(jù)施工現(xiàn)場位置情況以及施工進程和材料周轉情況等，合理安排材料進場時間和批次。同時，為不耽誤工程進度和最大限度地提高施工效率，項目方要根據(jù)及時調配一定數(shù)量的裝卸搬運器械，并在合適的近處進行材料的堆碼。

玻璃鋼內(nèi)膽和玻璃鋼外殼與鋼骨架之間采用濕法合模工藝，即在與鋼骨架接觸的面積上兩側各加寬20 mm區(qū)域，增加吸滿樹脂的棉狀絲網(wǎng)材料，再合模壓緊固化的一種工藝。

3 ANSYS結構強度計算與仿真分析

3.1 下箱體鋼骨架在滿載狀態(tài)下鏟運的強度和剛度計算

有限元分析基本流程圖如圖4所示。

由于在各種工況下考核時，下箱體鋼骨架受力比較復雜，難度最大，所以在設計之初，考慮到整體結構需有一定的裕度，首先使下箱體鋼骨架本身就能滿足滿載狀態(tài)下鏟運的強度和剛度要求，產(chǎn)品重量為4 000 kg，四處支架組支撐產(chǎn)品。經(jīng)過多次優(yōu)化后的下箱體鋼骨架三維模型導入結構圖如圖5所示。

圖6為下箱體鋼骨架等效應力云圖，鋼骨架最大應力為132 MPa，小于材料的許用應力(許用應力165 MPa)。最大應力發(fā)生的位置為右側叉車孔上方區(qū)域圖中所指位置。圖7為下箱體鋼骨架變形云圖，最大變形量為7.2 mm，發(fā)生的位置為鋼骨架右側距離叉車孔最遠處位置圖中所指位置。計算結果符合工程實際，分析顯示鋼骨架在滿載鏟運狀態(tài)下的結構強度和剛度能夠滿足性能要求。

3.2 包裝箱在滿載充內(nèi)氣壓狀態(tài)下鏟運時的強度和剛度計算

包裝箱三維模型導入如圖8所示。包裝箱三維模型網(wǎng)格劃分如圖9所示。

本文針對某型號大型包裝箱，應用大型有限元分析軟件ANSYS建立了復合結構有限元模型，按照各種設計工況，進行結構的有限元分析，然后按照各向異性復合材料層合殼理論對包裝箱進行強度分析，應用Tsai-Wu強度比理論對玻璃鋼結構進行了校核。在玻璃鋼材料設置上采用文獻[8]中表3玻璃鋼材料力學性能參數(shù)(縱向抗拉強度X為200 MPa，縱向抗壓強度Xc為100 MPa，環(huán)向抗拉強度Y為 200 MPa，環(huán)向抗壓強度Yc為140 MPa，Z向抗拉強度Z為60 MPa，Z向抗壓強度Zc為100 MPa)。由于三維模型特別復雜，為了便于計算，經(jīng)ANSYS ICEM前處理軟件簡化處理后得，計算模型中含幾何體632個、定義的接觸關系2 731個、網(wǎng)格單元數(shù)約330萬、網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約590萬。

為了便于觀察和分析，仿真計算結果云圖將上下箱體的外殼(外殼受力較小)隱藏，分析提取數(shù)據(jù)，將上箱體內(nèi)膽和下箱體內(nèi)膽提取出來進行后處理。

圖10和圖12為包裝箱及內(nèi)膽等效應力云圖，玻璃鋼和鋼骨架這兩種材料的最大應力分別為35.4 MPa和62.6 MPa，均小于材料的許用應力(玻璃鋼Z向抗拉強度Z為60 MPa、鋼骨架許用應力為165 MPa)。最大應力發(fā)生的位置為叉車孔的區(qū)域圖中所指位置。

圖11和圖13為包裝箱及內(nèi)膽變形云圖，最大變形量分別為2.3 mm和2.6 mm，最大變形發(fā)生位置為圖中所指位置。計算結果符合工程實際，分析顯示包裝箱鏟運狀態(tài)下的結構強度和剛度能夠滿足性能要求。

3.3 包裝箱在滿載充內(nèi)氣壓狀態(tài)下吊裝時的強度和剛度計算

為了便于觀察和分析，仿真計算結果云圖將上下箱體的外殼(外殼受力較小)隱藏，網(wǎng)格劃分大小設置為三維模型最小壁厚。

圖14為包裝箱等效應力云圖，玻璃鋼和鋼骨架這兩種材料的最大應力分別為35.4 MPa和52.3 MPa，均小于材料的許用應力(玻璃鋼Z向抗拉強度Z為60 MPa、鋼骨架許用應力165 MPa)。最大應力發(fā)生的位置為起吊連接板處圖中所指位置。

圖15為包裝箱變形云圖，最大變形量為2.25 mm，發(fā)生的位置為箱體內(nèi)膽兩端圖中所指位置。計算結果符合工程實際，分析顯示包裝箱鏟運狀態(tài)下的結構強度和剛度能夠滿足性能要求。

3.4 包裝箱在滿載充內(nèi)氣壓狀態(tài)下兩側堆碼時的強度和剛度計算

為了便于觀察和分析，仿真計算結果云圖將上下箱體的外殼(外殼受力較小)隱藏，網(wǎng)格劃分大小設置為三維模型最小壁厚。

圖16為包裝箱等效應力云圖，玻璃鋼和鋼骨架這兩種材料的最大應力分別為35.1 MPa和204.2 MPa，最大應力發(fā)生的位置為堆碼連接板上圖中所指位置。堆碼連接板主體區(qū)域應力值集中在 158.7 MPa、152.8 MPa 和 161.5 MPa，小于鋼骨架許用應力 165 MPa，至于應力集中點為204.2 MPa所占區(qū)域極小，對鋼骨架整體強度無影響。玻璃鋼內(nèi)膽最大應力值小于材料的許用應力(玻璃鋼Z向抗拉強度Z為60 MPa)。

圖17為包裝箱變形云圖，最大變形量為2.13 mm，發(fā)生的位置為箱體內(nèi)膽兩端圖中所指位置。計算結果符合工程實際，分析顯示包裝箱鏟運狀態(tài)下的結構強度和剛度能夠滿足性能要求。

另外，以上各種工況的強度分析均未體現(xiàn)上下箱體連接壓緊機構“搭扣”的應力應變情況，由于搭扣在以上工況分析中應力值均在10 MPa以下，未單獨顯示，同時對上下箱體間的兩大峰三小峰硅橡膠密封圈壓縮量影響極小，可忽略不計。

4 結束語

基于ANSYS的包裝箱結構優(yōu)化設計通過多工況的優(yōu)化設計以后，實現(xiàn)了玻璃鋼材料薄壁結構的鋼骨架復合結構設計，體現(xiàn)了鋼骨架復合結構的玻璃鋼材料結構優(yōu)化設計的特點，優(yōu)化結果使得在滿足性能要求和功能要求的情況下，達到了優(yōu)化結構、節(jié)約原材料和降低成本的目的。最終完成了玻璃鋼加鋼骨架復合結構包裝箱的設計和優(yōu)化計算，可以作為玻璃鋼加鋼骨架復合結構設計的一般參考方法。

該大型包裝箱結構造型美觀，經(jīng)過了堆碼抗壓、吊裝鏟運、密封性充內(nèi)壓、模擬運輸、相容性等試驗鑒定，各項技術指標均達到了設計要求?，F(xiàn)大型包裝箱已具備批試生產(chǎn)能力，以滿足產(chǎn)品包裝所需。利用兩大峰三小峰的硅橡膠密封圈實現(xiàn)了大端面密封，提高了大型包裝箱的整體密封性能，確保了產(chǎn)品的長貯安全可靠性，為今后包裝箱的設計提供了一種新的思路。