多式聯(lián)運(yùn)罐式集裝箱疲勞分析載荷綜述

鄭靜 于艷麗 宋世安 張少飛

摘 要：本文闡述了疲勞分析是保障罐箱這一多式聯(lián)運(yùn)“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備”運(yùn)營耐久性及可靠性的關(guān)鍵一環(huán)。針對罐箱疲勞分析的必備輸入項(xiàng)（疲勞載荷）展開論述，分析了罐箱運(yùn)營各常規(guī)工況（運(yùn)輸工況、裝卸工況、檢修工況）及各工況載荷構(gòu)成，并對罐箱營運(yùn)過程疲勞載荷進(jìn)行了歸納匯總。列舉了關(guān)鍵的疲勞載荷（隨機(jī)慣性力外載荷）典型載荷譜，介紹了載荷譜分析方法。最后對罐箱疲勞分析后續(xù)相關(guān)研究工作做了說明。

關(guān)鍵詞：多式聯(lián)運(yùn);罐式集裝箱;疲勞;載荷譜

中圖分類號：U169.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0065-03

集裝箱運(yùn)輸，方便不同運(yùn)輸模式的無縫切換，可以實(shí)現(xiàn)“門到門”運(yùn)輸，是“多式聯(lián)運(yùn)”實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)?！督煌◤?qiáng)國建設(shè)綱要》明確提出“優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，推動(dòng)鐵水、公鐵、公水、空陸等聯(lián)運(yùn)發(fā)展，推廣跨方式快速換裝轉(zhuǎn)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，形成統(tǒng)一的多式聯(lián)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則?！?。

罐式集裝箱（下文簡稱“罐箱”）就是這樣一個(gè)多式聯(lián)運(yùn)的“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備”。罐箱本身的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，疲勞分析是保障罐箱運(yùn)營耐久性的關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)前相關(guān)公約、標(biāo)準(zhǔn)對疲勞分析提出要求，例如：《國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》 6.7.2.2.9條款規(guī)定“可移動(dòng)罐柜的設(shè)計(jì)須能顯示出已考慮了在使用期間由于重復(fù)荷載而產(chǎn)生的材料疲勞作用?！?。

疲勞載荷是進(jìn)行罐箱疲勞分析與評估的必備輸入項(xiàng)，本文將對罐箱運(yùn)營生命周期內(nèi)的疲勞載荷進(jìn)行識別及論述。

1罐箱運(yùn)營工況及疲勞載荷識別

進(jìn)行罐箱疲勞分析前，首先明確罐箱運(yùn)營中的各類工況并對各工況載荷構(gòu)成進(jìn)行分析、識別及外載荷邊界判斷。

1.1運(yùn)輸工況

罐箱主要有公路、鐵路、船舶3種運(yùn)輸模式，對各運(yùn)輸模式下載荷構(gòu)成及外載荷邊界分析如下。

1.1.1公路運(yùn)輸

罐箱承受運(yùn)輸車輛車架傳遞的復(fù)雜隨機(jī)道路外載荷。不同的運(yùn)輸路線、路面構(gòu)成會(huì)對應(yīng)不同的道路載荷譜。

當(dāng)車架角件承載面高于縱梁頂面時(shí)，由角件支撐，隨機(jī)道路外載荷通過角件傳遞給罐箱。當(dāng)半掛車架縱梁頂面高于角件支撐面時(shí)，由載荷傳遞區(qū)承載，隨機(jī)道路外載荷通過載荷傳遞區(qū)傳遞給罐箱，如圖1所示。

長距離、跨地形運(yùn)輸時(shí)還涉及環(huán)境溫度變化，罐箱將承受相應(yīng)的熱負(fù)荷。同時(shí)罐箱會(huì)承受內(nèi)容物的靜載荷以及由車架傳遞的隨機(jī)路譜外載荷作用下造成的內(nèi)容物對罐體的沖擊載荷。承壓罐箱還會(huì)承受對應(yīng)的內(nèi)壓力。

1.1.2鐵路運(yùn)輸

鐵路運(yùn)輸時(shí)，罐箱承受車體傳遞的復(fù)雜的隨機(jī)外載荷。平車運(yùn)輸時(shí)，外載荷通過角件傳遞給罐箱。敞車運(yùn)輸時(shí)，當(dāng)敞車底部平整無凹陷時(shí)，垂向外載荷通過角件傳遞，當(dāng)敞車底部與角件相對位置發(fā)生凹陷時(shí)，罐箱與敞車縱梁相對應(yīng)處的端梁承載（圖2右圖顯示了該工況罐箱端下梁及罐體中間的磨損情況），稱該種承載模式為“敞車工況”。

1.1.3船舶運(yùn)輸

罐箱放置在集裝箱船艙內(nèi)或者甲板上進(jìn)行運(yùn)輸。罐箱所受外力來自波浪和風(fēng)力所造成的船舶的運(yùn)動(dòng)。罐箱裝載時(shí)進(jìn)行必要的栓固。通常集裝箱船艙內(nèi)設(shè)置了柵格導(dǎo)柱，對豎直堆碼在艙內(nèi)的罐箱起到定位和支撐的作用。艙內(nèi)無柵格和甲板上的集裝箱可通過栓固裝置固定，例如支撐壁柱、繩索、轉(zhuǎn)鎖等。罐箱在船運(yùn)過程中將隨著船舶的運(yùn)動(dòng)承受相應(yīng)的各方向慣性載荷以及對應(yīng)的系固載荷，堆垛時(shí)還將承載堆碼載荷。

1.2裝卸工況

裝卸工況包含罐箱內(nèi)容物（貨物）的裝卸以及罐箱本身的裝卸。

罐箱在進(jìn)行貨物的充裝時(shí)，經(jīng)歷從空罐到滿罐的變化，承受內(nèi)容物靜壓力隨裝載過程的波動(dòng)，對于承壓罐箱還承受相應(yīng)的氣相波動(dòng)壓力，對于瀝青等高于常溫的介質(zhì)或LNG等冷凍液化介質(zhì)，還會(huì)承受溫度變化的熱應(yīng)力。進(jìn)行貨物卸載時(shí)罐箱承受的載荷模式與充裝時(shí)相同，載荷變化趨勢相反或略有差異。罐箱本身進(jìn)行裝卸車操作時(shí)，通常采用專用吊具或者叉車將罐箱從初始位置轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置，在一次操作過程中，罐箱會(huì)承受起吊慣性力，同時(shí)承受內(nèi)容物的靜壓力以及氣相空間內(nèi)壓力。

1.3檢修工況

罐箱投入運(yùn)營后每5年需要進(jìn)行定期檢驗(yàn);對于運(yùn)輸危險(xiǎn)品的罐箱每2.5年還需要進(jìn)行中間檢驗(yàn);必要時(shí)還需進(jìn)行特殊檢驗(yàn)。進(jìn)行所述的檢驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行必要的檢查和試驗(yàn)，通常定期檢驗(yàn)需要進(jìn)行內(nèi)外部檢查、壓力試驗(yàn)和防滲漏試驗(yàn);中間檢驗(yàn)需要進(jìn)行內(nèi)外部檢查及防滲漏試驗(yàn);特殊檢驗(yàn)根據(jù)罐箱實(shí)際情況一般至少包含中間檢驗(yàn)的內(nèi)容。

2 疲勞載荷

2.1疲勞載荷構(gòu)成

通過對各工況下載荷的識別及外載荷邊界的分析，得出罐箱運(yùn)營中的疲勞載荷構(gòu)成如表1所示。

表1中列明的靜載荷及交變載荷，其構(gòu)成簡單，可直接由罐箱設(shè)計(jì)給定或根據(jù)實(shí)際運(yùn)營參數(shù)確定。運(yùn)輸工況的隨機(jī)慣性力外載荷較復(fù)雜，是造成罐箱構(gòu)件疲勞損傷的主要原因。獲取方式通常有兩種，一種是采集專用運(yùn)輸路線/航線實(shí)際時(shí)域載荷信息，編制時(shí)域載荷譜;另一種是選用相關(guān)的道路/鐵路/波浪頻域載荷譜，并轉(zhuǎn)化為時(shí)域樣本數(shù)據(jù)。

2）運(yùn)輸工況當(dāng)涉及長距離/時(shí)間、跨地形運(yùn)輸時(shí)還可能涉及環(huán)境溫度交變載荷。

2.2頻域載荷譜

載荷譜是疲勞設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，英國鐵路于1964年就開始了這項(xiàng)研究工作，是世界上開展這一研究最早的國家之一。隨后日、美、前蘇聯(lián)、東德等國都發(fā)表了各自測定分析得出的軌道不平順功率譜。

我國對軌道不平順功率譜密度的應(yīng)用較晚，但是研究工作起步較早，20世紀(jì)60～70 年代長沙鐵道學(xué)院、中國鐵道科學(xué)研究院就已用地面檢測等方法獲得數(shù)百米和數(shù)十公里高低、水平、軌向不平順的軌道譜。80～90年代鐵道科學(xué)研究院持續(xù)對路譜檢測手段、模擬方法、系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)等方面開展研究工作，提出了我國主要干線軌道譜，但至今我國仍未形成軌道譜標(biāo)準(zhǔn)。以下例舉出美國軌道譜 [1-3]。

美國聯(lián)邦鐵路管理局（FRA）主持的通過不斷的實(shí)際測量線路情況而得到的譜密度表達(dá)式如下：

式中S（Ω）為軌道不平順功率譜密度，單位為[cm2/（rad/m）];Ω為軌道不平順的空間頻率，單位為（rad/m）;AV、Aa為粗糙度常數(shù);Ωc、Ωs為截?cái)囝l率;k為安全系數(shù)，一般取0.25。表2為不同等級線路對應(yīng)的各參數(shù)取值，以及各等級線路下車輛安全行駛的最高速度。

3 載荷譜分析

3.1時(shí)域載荷譜分析

從獲取實(shí)測時(shí)程數(shù)據(jù)到載荷譜編制，期間需要經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理過程，包括去除零點(diǎn)漂移、濾波、無效循環(huán)處理、載荷幅值循環(huán)計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)，具體過程可參見本文參考文獻(xiàn)[4]。需要指出的是由于導(dǎo)致載荷結(jié)構(gòu)疲勞損傷的主要原因是載荷峰谷值及其循環(huán)次數(shù)，因而載荷幅值循環(huán)計(jì)數(shù)是載荷譜編制的重要一環(huán)，計(jì)數(shù)的過程通過計(jì)數(shù)法來實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)法的種類很多，例如穿級計(jì)數(shù)、雨流計(jì)數(shù)法等。當(dāng)前有很多工程軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，例如MATLAB、Ncode等，處理后的時(shí)域載荷譜可用于疲勞分析。

3.2頻域載荷譜分析

頻域載荷譜，可以作為系統(tǒng)的隨機(jī)激勵(lì)，但是只有在進(jìn)行線性隨機(jī)振動(dòng)頻域分析時(shí)才能直接輸入，對于非線性隨機(jī)振動(dòng)分析，例如當(dāng)前所要進(jìn)行的罐箱疲勞分析，最有效的方法是獲取隨機(jī)激勵(lì)的時(shí)域樣本，并將其作為輸入載荷，因此需要對軌道不平順隨機(jī)過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。現(xiàn)在采用較多的模擬分析方法是基于頻域功率譜等效法，該方法的具體公式及推導(dǎo)過程可以參見本文參考文獻(xiàn)[1]，它是將功率譜在頻域內(nèi)離散采樣，轉(zhuǎn)化為頻譜再通過傅里葉逆向變換（IFFT），最后得到平穩(wěn)的各相位時(shí)域樣本后用于疲勞分析。

4結(jié)語

筆者從事罐箱等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)審查及校核評估工作，在工作中經(jīng)常遇到設(shè)計(jì)單位對罐箱缺乏疲勞分析或者疲勞分析時(shí)對實(shí)際運(yùn)營工況（尤其是公路“載荷傳遞區(qū)工況”、鐵路“敞車工況”）及載荷構(gòu)成識別不完備的情況。本文針對罐箱疲勞分析的必備輸入項(xiàng)（疲勞載荷）展開論述，分析和識別了罐箱運(yùn)營常規(guī)工況及各工況載荷構(gòu)成;列舉了關(guān)鍵的疲勞載荷（隨機(jī)慣性力外載荷）典型載荷譜;介紹了載荷譜分析方法。為罐箱產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造及使用單位提供參考。

罐箱的疲勞分析除本文涉及的載荷外，還包含分析邊界界定、分析模型的處理（尤其熱點(diǎn)應(yīng)力區(qū)域網(wǎng)格的劃分）、疲勞分析方法及材料疲勞壽命曲線選擇等其他關(guān)鍵方面，筆者將持續(xù)進(jìn)行所述各方面的研究工作，為推動(dòng)建立行業(yè)內(nèi)罐箱疲勞分析標(biāo)準(zhǔn)，保障罐箱本質(zhì)安全服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張梅. 車載式軌道動(dòng)態(tài)故障診斷方法的研究[D]. 山西： 中北大學(xué)， 2014. 12-16.

[3] 陳士軍，凌賢長，朱占元，等. 軌道高低不平順譜分析[J].地震工程與工程振動(dòng)，2012，32（5）：33-38.

[4] 王春山，王曦，楊廣雪，等. 鐵路貨車載荷譜及其應(yīng)用[M]. 第1版. 北京： 中國鐵道出版社，2018. 36-53.