罐箱框架結構設計對罐體強度的影響

中國船級社質量認證公司 李坤

目前，集裝箱運輸方式得到了廣大客戶的認同，運輸品種也由最初的普通干貨發展到液體、氣體和危險品等各個領域，集裝箱的箱型也由普通干貨箱向罐式集裝箱（罐箱）發展。罐箱主要由罐體和框架兩部分組成，結構設備和安全附件等，罐體承載運輸的介質，框架主要是方便運輸、起吊、堆碼、栓固和保護罐體而設，所以罐箱的強度不但要考慮框架、罐體的強度，還要考慮框架和罐體連接的強度。

由于考慮到專利或試驗成本的因素，有些制造廠會在某一成熟的箱型的基礎上進行局部的加強（一般都是在框架的部分進行局部加強），來避免專利的約束或申請免做型式試驗（特別是罐箱的動態撞擊試驗）。罐箱的框架強度加強，目前一般會采用兩種方式，其一在原來的結構上，僅對個別較弱的部件增加尺寸，以達到加強的效果；其二就是增加加強構件數量（如增加斜撐、腹板和支座等）。不論何種加強方式，表面上看，整體的框架都增強了，檢驗機構能否認為設計明顯比原設計加強了，從而認可這樣的設計更改并免除部分試驗項目？下面我們通過對比試驗（此次的試驗采用貼應力片的方法，主要是測量試驗中材料的應力變化），來說明用第二種方式進行加強后，在受到動態撞擊的瞬間，框架和罐體各部分的應力變化，為確定是否免除部分試驗項目提供參考性意見。

相關背景

原箱型設計：自重3910kg，罐體通過8個折彎板與框架相連，在前后端封頭上各有4個方管（端部框架結構）與框架相連，無下側梁（圖1）。

改進型設計：考慮到運輸過程對罐體的保護，要求在原設計的基礎上兩邊各增加了一根底側梁，自重增加到4150kg，其他的任何和原設計一樣（圖2）。

圖1

圖2

計算和型式試驗

靜態強度試驗：原箱型的罐體參照GB150《鋼制壓力容器》設計，由于改進型的參數和原箱型一致，無須重新計算。原箱型的靜態強度試驗項目和結果均滿足CSC《國際集裝箱安全公約》和中國船級社（CCS）《集裝箱檢驗規范》的要求，考慮到改進型增加了底側梁后框架明顯強于原設計，而其他的任何結構沒有變化，故同意免除靜態強度試驗申請。

動態撞擊試驗：根據ISO1496-3的要求，運輸液體罐箱應進行動態撞擊試驗，考慮到該箱要在中國鐵路運輸，還需滿足中國鐵路的相關要求。改進的箱型是定型產品，根據要求必須進行動態撞擊試驗。但由于改進前的罐箱較輕，考慮到市場的需求（如客戶需要比較輕的罐箱）， 工廠也進行了動態撞擊試驗，同時可以將兩個箱型進行比較，為以后設計提供依據。

動態撞擊試驗

根據規范和使用工況的要求，罐箱應進行動態撞擊試驗，以驗證罐體與框架的連結部位及框架，能否滿足靜態和動態撞擊工況下的強度要求。由于該箱主要將在中國鐵路上運輸，所以按照中國鐵路的標準（TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》）進行撞擊試驗，試驗數據采用貼應力片的方法，試驗以6km/h時應力合成為考核結果。

為了對兩個箱型進行對比，所貼的應力片基本在兩個箱型的相同部位并進行編號，應力片所貼的位置是根據有限元計算認為應力比較大的部位：如左角柱根部、左底側梁與左角柱交接處、罐體左側封頭處、左側斜撐與左角柱交接處、左側斜撐與罐體交接處、右角柱根部、右底側梁與右角柱交接處、罐體右

側封頭處、右側斜撐與右角柱交接處、右側斜撐與罐體交接處等。試驗方法分為靜強度試驗和撞擊試驗。

靜強度試驗：將罐體下部的四個底角件支起至某一高度的水平位置，向罐體充裝代用介質（水），滿載后，通過數據采集處理系統測量各測點的應力 （基準均為空箱狀態）。

撞擊瞬間

表1 強度試驗數據

表2 無底側梁撞擊速度下的數據（單位：MPa）

表3 有底側梁撞擊速度下的數據（單位：MPa）

表4 無底側梁箱在撞擊速度下的各應力測點的應力值及與靜強度試驗時垂向靜應力的合成值（單位：MPa）

表5 有底側梁箱在撞擊速度下的各應力測點的應力值及與靜強度試驗時垂向靜應力的合成值（單位：MPa）

動態撞擊試驗：試驗用機車一臺，撞擊車一臺，被撞擊的集裝箱平車一臺，集裝箱平車上裝有兩臺被測試的罐箱，撞擊車與被撞擊車總重量相同。兩臺罐箱的閥端均向外放置。因此，罐箱的閥端為被撞擊端。先對有下側梁罐箱進行撞擊試驗，采集測試數據，測試完成后，將機車及撞擊車調到被撞擊平車的另一端，然后對無下下側梁罐箱進行撞擊試驗，采集測試數據。撞擊速度從3km/h開始，每次遞增1km/h，直到撞擊速度達到8km/h為止，每個速度級進行3次以上有效的撞擊（上表得出的數據均在撞擊速度為6km/h時的應力數據） 。

數據處理合成方法按照TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》中規定，許用應力的選取及安全系數，按照第一工況強度評定要求。

試驗結果均符合TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》的要求。為了使數據有可比性，特別要求試驗的條件和狀態應一致，撞擊都在底出料口一端，撞擊時的瞬間速度誤差±0.2km/h,同時，沖擊車的重量一致，采集數據的設備精度一致。

數據比較

表1的數據顯示，靜態試驗時，無底側梁的測量點應力數值均大于有側梁的測量點的應力數值，在靜態工況下，框架的結構強度高，其對應的總體強度也較高。從表4和表5的數值比較，在動態撞擊試驗時，第11和21點（及左角柱的根部）、13和23點（罐體左側封頭處），13'和23'點（罐體右側封頭處），15'和25'點（右側斜撐與罐體交接處）所合成的應力值，有下側梁的設計結構應力值高于無底側梁的結構。

結果分析

動態的撞擊試驗：根據物體碰撞的原理，試驗時被撞擊的罐箱在碰撞的瞬間吸收了沖擊車在一定的速度下所產生的動能（撞擊力），做試驗的罐箱受到撞擊力后，罐箱結構都要受力產生應變來釋放撞擊力，同時吸收所撞擊力產生的應力值就會出現應變，如應力值不超出了材料的屈服強度（應考慮到一定的安全系數, 與干貨箱合格判定標準不一樣，試驗項目有1.5倍的余量）所產生的變形即為彈性變形，如超過材料的屈服強度，及產成了塑性變形，甚至結構被破壞。

從上表比較，對于圖2的結構，雖然增加了下側梁，表面上總體強度是提高了，但力的分布與傳遞也改變了，由此可能造成某些構件受力變大，產生的應力值也大，及在罐體的封頭與框架的連接處受到的力高于圖1相應的部位。同時角柱下部在受到撞擊時應變被約束同時應力釋放也被約束，故約束大的地方應力值也相應提高，相應的應力值高于圖1所對應的相同部位（角柱的根部）。雖然總體的應力值小于規范的要求，卻不能判斷框架加強后，整體的罐箱強度加強，因此，這種加強方式，是不能作為免除型式試驗的依據。 同理，如果案例中的加強方案只是加大了如圖1所示的部分部件（如角柱加大尺寸），而受到撞擊時受到的撞擊力的分布和傳遞沒有變化，及受力不變，構件尺寸變大，其抗擊變形的能力加大，總體的強度也得到增強。

由此可以看出，雖然試驗的數據滿足要求，但是不能說是最優設計。罐箱設計時應考慮有一定的柔性方式來釋放應力，同時由于罐箱所運輸的介質特殊，設計時還應考慮到在出現非正常工況下，能保證框架先損壞，以達到保護罐體的目的（有時會采用前端下梁設計一段緩沖區）。罐箱的應力分析計算，其目的之一就是為了保證框架結構本身以及框架與罐體的連接結構，在滿足強度要求的前提下達到整體優化設計的目的。所以在今后的樣箱認可時，CCS對于第一種形式的設計加強及僅對個別較弱的部件增加尺寸，可以同意免除型式試驗，而對于第二種方式的設計加強及增加加強構件數量（如增加斜撐、腹板和支座等），實際上框架的受力分布以及框架與罐體的連接部分受力方式已經改變，造成部分構件承受的應力改變，這種不確定的改變在受到外力時可能會導致罐箱某些局部結構失效。值得注意的是，ISO 1496-3標準規定的縱向碰撞試驗是基于結構頻譜響應的原理，其與本文所述的國內鐵路罐箱碰撞試驗是有區別的。