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擴展集裝箱式活動房中的集裝箱優化設計(1)

2013年8月28日

摘要:用有限元分析軟件對改進的擴展集裝箱式活動房中的集裝箱在各裝卸工況下的應力、位移進行了分析計算,同時利用優化設計的思想對該集裝箱的主要受力構件進行了尺寸優化設計。在相同工況下,對優化設計的結果與優化前的結果進行了對比。優化設計后,箱體自重降低了15%,箱體最大應力由162MPa降低到126MPa,且最大應力發生的位置也有變動;最大變形由8181mm增加到1219mm,位置均在底面短梁與輔助長梁中心區域;主要受力構件--底面長梁的應力和撓度均有降低。

關鍵詞:集裝箱 有限元分析 應力 位移 優化設計

擴展集裝箱式活動房中的集裝箱是在標準集裝箱的基礎上改制而成的。將標準集裝箱側瓦楞板用可折疊式圍板代替,圍板與圍板、圍板與集裝箱立柱間用鉸鏈連接,通過箱體兩側地基梁,可將圍板拉出來形成擴展結構,加上屋架與屋面板等可組成擴展集裝箱式活動房(如圖 1)。

擴展集裝箱式活動房立面

圖 1 擴展集裝箱式活動房立面

由于活動房儲運部分是由標準集裝箱(外形為6058mm×2438mm×2438mm)去掉兩側瓦楞板而成,那么這種集裝箱的力學性能將降低。經初步計算裝載房屋設施后(總重80kN),該集裝箱不能滿足各裝卸工況要求。為此,經分析驗算,對箱體提出以下改進方案(改進后體形見圖 2): 1)在集裝箱底面加輔助長梁;2)在集裝箱兩側面加拉桿(鋼筋直徑同門側);3)增加頂面/底面長梁截面尺寸;4)在頂面/底面長梁內增加鋼板。對改進后的集裝箱在各工況下的應力、位移進行了模擬計算,根據計算結果,利用優化設計的思想對頂面起吊這一最不利工況下集裝箱的主要受力構件進行了尺寸優化設計。

改進后的集裝箱有限元模型,擴展集裝箱式活動房

圖 2 改進后的集裝箱有限元模型

1、改進設計后箱體有限元模型及計算結果

集裝箱由包角、橫梁、立柱、瓦楞板及拉桿等構件組成,各構件材料均為Q235。為了解各構件的細部力學特性,箱體有限元模型主體(梁、柱等構件)采用二維板殼單元模擬,底面短梁、底面輔助長梁及拉桿采用梁單元模擬改進后箱體有限元模型如圖 2,各構件截面尺寸見表 1,頂面長梁和底面長梁截面形狀如圖 3。

頂面/底面長梁截面,擴展集裝箱式活動房

圖 3 頂面/底面長梁截面

表 1 各構件幾何尺寸

構件名稱 數量/個 尺寸/mm
包角 8 178@162@128@11(厚度)
底面長梁 2 220@60@6方鋼
頂面長梁 2 120@60@6方鋼
門側立柱 2 230@46@6;113@60@10槽鋼
瓦楞側立柱 2 113@60@4方鋼
瓦楞側上橫梁 1 120@70@4方鋼
瓦楞側下橫梁 1 220@70@4方鋼
門側上橫梁 1 120@70@4方鋼
門側下橫梁 1 220@70@4方鋼
底面短梁 12 120@45@4槽鋼
底面輔助長梁 2 60@45@4方鋼
拉桿 10 <20鋼筋
瓦楞板 2 80(間隔)@20(高度)@2(厚度)

本次力學分析中,集裝箱共受80kN的重力載荷,其中箱體自重17kN,箱內設施及房件等重63kN(假設該部分重力載荷均勻作用于集裝箱各底面短梁上)。本次分析各工況及邊界條件分別為:勻速吊起——單個吊起點約束;27b裝車狀態——底面長梁在27b斜面上的支撐及后瓦楞側四個包角約束;叉車托起狀態——底面長梁叉車孔處及底面輔助長梁的局部區域約束。

分別對不同工況下箱體的受力情況進行了模擬計算,得到各工況時的應力、位移。集裝箱勻速起吊時,將鋼絲繩一端與箱體頂面四個包腳相連,另一端掛在吊車上,通過吊鉤將鋼絲繩約束。設吊鉤距箱體頂面距離為115m,起吊時荷載動力系數為112。計算時不考慮鋼絲繩的質量和變形(用多點約束模擬)。下面只列出了勻速起吊時的集裝箱的計算結果(計算知27b裝車狀態及叉車托起狀態狀態中以勻速起吊為最不利工況)如圖 4、圖 5。

吊起時箱體應力場分布,擴展集裝箱式活動房

圖 4 吊起時箱體應力場分布

吊起時箱體位移場分布,擴展集裝箱式活動房

圖 5 吊起時箱體位移場分布

從圖 4、圖 5計算結果可以看出,改進設計后勻速吊起時,箱體最大應力發生于瓦楞側立柱與底部包腳交接處,合成應力為162MPa,最大變形發生在底面短梁與輔助長梁中心區域,撓度為8181mm。底面長梁的最大應力為8411MPa,最大撓度為6141mm,滿足設計要求,其余構件應力和撓度均滿足要求。

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擴展集裝箱式活動房中的集裝箱優化設計(完)

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