基于ANSYS的某半高箱有限元分析和結構改進設計

秦 嵩 ，尹志新 ，張 偉

（1.廣西大學 機械工程學院，廣西南寧530004；2.安陽工學院，河南安陽455000）

半高箱是集裝箱的一種類型，用于遠洋船舶上運輸大型貨物，適合叉車和港口吊裝設備的搬運，裝卸貨物非常方便。技術部門擬設計一種半高箱，需要在ANSYS中建立模型，計算結構在標準試驗工況下的強度和剛度值，以此來判斷結構的性能是否合符相關標準的要求，并對其結構進行改進和優化。

1 建立計算模型

按照半高箱的實際尺寸，在有限元軟件ANSYS中建立幾何模型，該半高箱為1/4對稱結構[1]，只須對箱體的1/4結構建模，并采用殼單元shell63對模型進行離散，共生成42 133個單元，41 596個節點，模型如圖1所示。

圖1 1/4箱體分析模型

2 載荷工況及材料力學性能

2.1 載荷工況

本次計算主要模擬堆碼、吊頂、吊底和叉舉試驗，各工況下載荷和約束的組成如表1所示（R=27 000 kg、T=3 000 kg）。

表1 工況載荷列表

2.2 力學性能曲線

該材料為SPH-A，實驗得出的屈服極限為395 MPa，彈性模量E=195 GPa，拉伸曲線如圖2。

圖2 材料SPH-A的力學性能曲線

3 計算結果

3.1 堆碼試驗工況

在堆碼載荷作用下，整個箱體的最大位移為24.975 mm，發生在側板上邊緣中間處（如圖3），角柱上的變形最大為2.574 mm，發生在角件伸出角柱部分上邊緣處（如圖4）。

圖3 堆碼試驗箱體結構位移云圖

圖4 角柱位移云圖

箱體上多個部位出現危險區域（應力超過材料的許用應力區域），具體位置如圖5箭頭所指。建議側板上邊緣與角柱連接處增加強板，其他危險區域增加接觸面積，以分散集中應力。

圖5 堆碼試驗箱體等效應力云圖

3.2 吊頂試驗工況

吊頂試驗工況下，整個箱體的最大變形為26.748 mm，發生側板上邊緣中間處（如圖6）。

圖6 吊頂試驗箱體位移云圖

箱體上多個部位出現危險區域（應力超過材料的許用應力區域），具體位置如圖7箭頭所指。建議側板上邊緣與角柱連接處增加強板，其他危險區域增加接觸面積，以分散集中應力。

圖7 吊頂試驗箱體等效應力云圖

3.3 吊底試驗工況

吊底試驗工況下，最大變形為27.667 mm，發生側板上邊緣中間處（如圖8）。

圖8 吊底試驗箱體位移云圖

箱體上多個部位出現危險區域（應力超過材料的許用應力區域），具體位置如圖9箭頭所指。建議側板上邊緣與角柱連接處增加強板，其他危險區域增加接觸面積，以分散集中應力。

圖9 吊底試驗箱體等效應力云圖

3.4 叉舉試驗工況

在叉舉試驗工況下，整個箱體的最大變形為20.566 mm，發生側板上邊緣中間處（如圖10）。

圖10 叉舉試驗箱體位移云圖

箱體上多個部位出現危險區域（應力超過材料的許用應力區域），具體位置如圖11箭頭所指。建議側板上邊緣與角柱連接處增加強板，其他危險區域增加接觸面積，以分散集中應力。

圖11 叉舉試驗箱體等效應力云圖

4 改進方法

根據計算結果可以得到，該箱型在2R-T載荷下，加強筋板與側板及底橫梁接觸處出現較大集中應力，建議將接觸處增加墊板。側邊上邊緣的L梁與角柱接觸處出現較大集中應力，建議在該處增加加強板。

在通過與設計工程師的溝通后，出于結構強度、加工工藝、成本的考慮[2]，則提出如圖12和圖13所示兩種方案。

圖12 方案Ⅰ（增加6根加強板和頂中橫梁、去掉外側板）

4.1 方案Ⅰ

增加6根加強板和頂中橫梁、去掉外側板，加強板板厚由原來的4 mm改為3 mm，頂中橫梁采用40 mm×100 mm，壁厚為3 mm。加載2R-T時，變形位移由原來的27.667 mm（如圖8）降為10.91 mm（如圖14）。除加強筋板與側板接觸處、上L梁端部與立柱接觸處出現大集中應力外，其他地方均安全，建議將筋板做成L型，L梁端部增加加強板。

圖14 方案Ⅰ箱體位移云圖

圖15 方案Ⅰ箱體等效應力云圖

4.2 方案Ⅱ

增加6根加強板和頂中橫梁，加強板板厚由原來的4 mm改為3 mm，頂中橫梁采用40 mm×100mm，壁厚為3 mm。加載2R-T時，變形位移由原來的27.667 mm（如圖8）降為8.619 mm（如圖16）。除加強筋板與側板接觸處、上L梁端部與立柱接觸處出現大集中應力外，其他地方均安全，建議將筋板做成L型，L梁端部增加加強板。

圖16 方案Ⅱ箱體位移云圖

圖17 方案Ⅱ箱體等效應力云圖

5 結束語

利用有限元分析軟件進行結構優化設計，能夠很好解決實際工程設計問題。在進行半高箱結構改進設計中，有限元分析結果完全符合實際情況，通過標準工況下強度和剛度分析及結構優化，改進后的半高箱強度和剛度滿足要求，且加工工藝性好，成本低。

[1]黃國權.有限元法基礎及ANSYS應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]王啟廣，葉 平.現代設計理論[M].合肥：中國礦業大學出版社，2005.