鋁制包裝箱搬運過程跌落分析

（中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

鋁制包裝箱搬運過程跌落分析

曲曉宇 花 拓

（中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

針對某鋁制包裝箱，對其進行跌落仿真分析，研究其跌落過程中的應力與變形。本文采用ANSYS/LS-DYNA對其進行彈塑性條件下的跌落模擬分析，采用應力失效與應變失效相結合的方法進行安全評定，證明該產品結構滿足設計要求。

包裝箱；跌落；有限元；仿真分析；LS-DYNA

1 引言

某項目中使用了一種鋁制包裝箱，經常需要人工搬運，設計要求對該包裝箱搬運過程中偶然跌落事件進行動態仿真，分析結構的強度、變形等關鍵力學性能，保證跌落過程中包裝箱不破損。

箱體跌落過程中，在較短時間內，箱體與地面接觸碰撞區附近產生高應力區域并發生塑性變形，本文基于彈塑性力學理論，應用有限元軟件，得出結構應力應變分布[1-2]，應用ANSYS/LS-DYNA程序，采用顯式算法求解復雜的接觸碰撞問題。

碰撞問題運動方程一般表達式為：

2 有限元仿真設定

2.1 建立模型

計算模型中包裝箱主體采用殼單元模擬，箱墊橡膠材料與混凝土地面采用體單元模擬。定義包裝箱從離地面h=1.2m處跌落，跌落方式為箱體保持水平沿重力方向向下跌落，并設置重力加速度為9.81m/s2，模型如圖1所示。跌落情況下，包裝箱在沖擊與重力共同作用下形成如下若干次向下跌落——向上彈至最高點——向下跌落的往復運動，但在一個周期作用后，已耗損較多的能量，為縮短計算時長并簡化分析，這里僅分析一個周期作用下的運動過程。

2.2 接觸算法

結構間的相互作用通過接觸計算完成，接觸面設置是沖擊分析的必要前提，這就需要在可能發生接觸作用的結構間定義接觸面，接觸面能夠有效的模擬結構之間的相互作用，并允許連續不斷的接觸與滑動。接觸類型分為三類：即單面接觸、點面接觸、面面接觸。單面接觸是LSDYNA程序中應用最為廣泛的接觸類型，程序將搜索模型中的所有外表面，檢查其間是否相互發生穿透。本文采用自動單面接觸進行接觸分析。

2.3 材料本構

材料的本構是碰撞分析前的重要參數，為了真實的體現材料特性，需建立適合的材料本構關系，由于各種材料本構關系相對復雜，分別做如下定義。

（1）鋁材（3003鋁材與5A06鋁材）選用彈塑性雙線性隨動材料本構關系，有關參數如表1所示。

表1 鋁材材料參數

（2）橡膠材料是各向同性不可壓縮的超彈性體，選用Mooney-Rivlin模型構建本構關系，有關參數為常數C10= 0.3375，常數C01= 0.0338，泊松比ν=0.495，密度ρ=870kg/m3。

（3）混凝土地面選用線彈性本構關系，有關參數為彈性模量E= 3×104MPa，泊松比ν= 0.19，密度ρ = 2750 kg/m3。

3 仿真結果分析

3.1 應力分析

包裝箱在重力作用下做自由落體運動與地面發生碰撞，伴隨碰撞過程，沖擊力主要作用于底部與支腿連接處墊板周邊區域，此處呈現高應力現象，該區域迅速進入塑性變形階段并向外擴展。分析等效應力結果，在跌落至最深位置處箱體產生最大應力如圖2所示，最大應力點時間歷程曲線如圖3所示。

3.2 應變分析

撞擊過程表明，伴隨底部與支腿連接處墊板周邊高應力區域的產生并擴大，此處發生最大應變。分析等效應變結果，在跌落至最深位置處箱體產生最大應變，如圖4所示。

3.3 結果分析評判

圖2 包裝箱跌落應力分布

對沖擊分析的結果采用應力失效法與應變失效法進行評定。沖擊過程中，雖然存在不可恢復的塑性變形，但未造成結構的破壞，認為該結構安全；若等效應力與等效應變超過許可范圍，則認為結構破壞或撕裂。即包裝箱在受到沖擊作用時產生的等效應力應低于材料本身的抗拉強度，產生的等效應變應低于材料延長率。由圖2及圖4，結構的最大等效應力為52.91MPa，小于材料抗拉強度130 MPa，結構的最大等效應變為0.06，小于材料延長率0.2，包裝箱符合安全設計標準。

此外，對包裝箱詳細分析，在碰撞作用后其產生的結構變形控制在合理范圍，不影響內部物料的存貯；結果分析時不考慮橡膠件的破壞失效。

結語

為解決鋁制包裝箱搬運過程中偶然跌落事故下的跌落沖擊問題，應用彈塑性力學理論，采用ANSYS/LS-DYNA分析了該鋁制包裝箱在水平跌落狀態下的力學行為，根據應力失效和應變失效的評定方法進行安全評估，證明此包裝箱滿足規定的 安全性需求，同時變形也在可控范圍內。該沖擊計算分析方法對于設計更好的抗跌落、抗沖擊產品具有一定的借鑒意義。

圖3 包裝箱跌落最大應力點時程曲線

[1]張萬平，徐定耿，陳松，等.乏燃料貯存格架在組件跌落事故中的沖擊分析[J].振動與沖擊，2010，29（12）：187-189.

[2]張文明，王濤，張華兵，等.基于ANSYS/LS-DYNA船橋碰撞分析[J].中國水運，2006，06（11），21-23.

圖4 包裝箱水平跌落應變分布

[3]柴群，萬朝燕.基于ANSYS/LSDYNA的渦輪蝸桿動態接觸分析[J].現代制造工程，2006，11，46-48.

[4]郝長千，唐華平，聶拓，等.橡膠緩沖器接觸碰撞有限元分析[J].現代制造工程，2009，03，63-65.

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