基于ANSYS的液氯罐式集裝箱有限元分析

王　強　楊春明　王慶國　魏佳廣

（1．中航黎明錦西化工機械（集團）有限責任公司　2.海洋石油工程股份有限公司）

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基于ANSYS的液氯罐式集裝箱有限元分析

王強*1楊春明1王慶國1魏佳廣2

（1．中航黎明錦西化工機械（集團）有限責任公司2.海洋石油工程股份有限公司）

摘要以1CC型液氯罐式集裝箱為例，建立有限元分析模型。將介質慣性力處理為靜載荷和動載荷，分別采用等效質量法、平均壓強法和沖擊載荷法三種不同加載方式對1CC型液氯罐式集裝箱進行有限元分析計算。結果表明，三種不同加載方式對罐體本身的應力強度差別較小，而對于罐式集裝箱的框架和鞍座應力強度的差別則很大。

關鍵詞罐式集裝箱慣性力應力有限元分析液氯載荷

*王強，男，1977年生，碩士，工程師。葫蘆島市，125001。

0　引言

罐式集裝箱具有一次性投資小、裝載量大、營運費用低、符合國際潮流等顯著優點，長期使用可大幅降低裝運成本，經濟性極佳。由于罐式集裝箱屬于移動型設備，因此既要考慮其在運行過程中受本身重力的影響，還要考慮其在運輸過程中受慣性力的影響。在有限元計算中，慣性力的加載方式大致有三種：等效質量法、平均壓強法以及沖擊載荷法。本文以1CC液氯罐式集裝箱為例，考察了三種慣性力加載方式對集裝箱強度的影響，并依據《國際海運危險貨物規則》[1]（IMDG CODE）中的有關要求，計算罐式集裝箱在運輸過程中各種慣性力作用下結構的應力水平，利用《集裝箱檢驗規范》[2]（2012版）進行強度校核。

等效質量法：所謂等效質量法，就是將物料質量以及設備凈質量等效在罐壁上。在計算時對罐體的密度進行等效，將介質的慣性力處理為體積力靜載荷，它符合JB/T 4781—2005《液化氣體罐式集裝箱》[3]中的規定，可考慮將慣性力載荷均勻施加于罐體形心。

平均壓強法：將介質慣性力均勻分布在罐體垂直于對應運動方向的投影面上。將介質慣性力處理為面積力靜載荷，符合《集裝箱檢驗規范》中的慣性力應均勻分布在垂直于對應運動方向的投影面上的規定。

沖擊載荷法：對液體的晃動過程進行數值模擬，并且將晃動過程中產生的介質靜壓強作用于罐體上。

1 1CC液氯罐式集裝箱主要技術參數

1CC液氯罐式集裝箱的設計參數如表1所示。1CC液氯罐式集裝箱的材料參數如表2所示。

表1　1CC液氯罐式集裝箱的設計參數特性

表2　1CC液氯罐式集裝箱的材料參數

2計算原理及工況

2.1 1CC液氯罐式集裝箱模型的建立

1CC液氯罐式集裝箱設計時罐體和罐體上的開孔首先應滿足中國船級社《集裝箱檢驗規范》和GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[4]的相關規定。在應力分析過程中對模型進行適當簡化，忽略罐體上的各種開口，這樣既不影響整體計算結果的準確性，又大大簡化了計算工作量。由于罐式集裝箱的罐體具有薄殼的幾何特征[5]，因此本分析中，對于框架采用空間梁單元Beam188單元進行模擬，對于罐體及支座采用板殼Shell181單元進行模擬。以罐體運動方向為X軸正半軸，按照右手定則建立直角坐標系，并建立1CC罐式集裝箱整體空間立體模型。具體的有限元網格模型見圖1。

圖1　1CC罐式集裝箱有限元模型

2.2慣性力的加載

根據中國船級社《集裝箱檢驗規范》（2012版）中關于罐式集裝箱有限元計算指南的一般規定，罐式集裝箱在運行過程中承受以下四種慣性力。

（1）在運動方向：慣性力為額定質量的2倍重力加速度2mg。

（2）在與運動方向成直角的水平方向：慣性力為額定質量的1倍重力加速度mg。

（3）垂直向上：慣性力為額定質量的1倍重力加速度mg。

（4）垂直向下:慣性力為額定質量的2倍重力加速度2mg。

2.3慣性力的計算及邊界條件的施加

2.3.1等效質量法的慣性力計算

根據1CC液氯罐箱的設計參數，罐體質量為4822 kg，最大運營質量為17 500 kg，框架和罐體密度均為ρ=7.85×10-6kg/mm3。根據等效質量法，將罐體內液體的密度等效到罐體上。分析過程中罐體的等效密度為ρ′=363.39 kg/mm3。

2.3.2平均壓強法的慣性力計算

按照平均壓強法的定義和1CC液氯罐箱的圖紙幾何尺寸，當集裝箱分別承受四種工況的慣性力時，其平均壓強的計算如下所述。

（1）運動方向

投影面積：以筒體為直徑的圓；作用范圍：前封頭。

罐體內介質的慣性力：F0=343 350 N。

前封頭在運動方向的投影面積：S1=2.54 m2。

平均壓強：Ps1=0.135 MPa。

（2）水平方向

投影面積：兩個半橢圓面積與一個矩形面積之和；作用范圍：罐體側面。

罐體內介質的慣性力：F0=171 675 N。

罐體側面在運動方向的投影面積：S2=13.8 m2。

平均壓強：Ps2=0.012 4 MPa。

（3）垂直向上

投影面積：兩個半橢圓面積與一個矩形面積之和；作用范圍：罐體下半部。

罐體內介質的慣性力：F0=171 675 N。

罐體側面在運動方向的投影面積：S3=13.8 m2。

平均壓強：Ps3=0.012 4 MPa。

（4）垂直向下

投影面積：兩個半橢圓面積與一個矩形面積之和；作用范圍：罐體上半部。

罐體內介質的慣性力：F0=343 350 N。

罐體側面在運動方向的投影面積：S4=13.8 m2。

平均壓強：Ps4=0.024 8 MPa。

2.3.3沖擊載荷法的慣性力計算

當介質充裝系數0＜k≤0.92時，最大沖擊力公式[6]為：

Fmax=（0.216+2.029k-0.696k2）ρVa

按照沖擊載荷法的定義和1CC液氯罐箱的圖紙幾何尺寸，罐體容積V=14 m3，介質密度ρ=1350 kg/m3，加速度a=19.6 m/s2，充裝率k=0.92。當集裝箱分別承受四種工況的慣性力時，最大沖擊力Fmax=553 283 N，其沖擊載荷的計算如下。

（1）運動方向：前封頭處的壓強Ps1=0.217 MPa。

（2）水平方向：罐體側面處的壓強Ps2=0.02 MPa。

（3）垂直向上：罐體下半部處的壓強Ps3=0.02 MPa。

（4）垂直向下：罐體上半部處的壓強Ps4=0.04 MPa。

根據《國際海運危險貨物規則》的規定，沖擊工況可將介質沖擊力處理為4倍額定質量乘以重力加速度的靜載荷，即沖擊力載荷相當于慣性力載荷的2倍。計算時將此附加的動載荷疊加到設計壓力上，則四種工況下集裝箱的慣性力載荷如下：

（1）運動方向：Ps1=0.269 8 MPa。

（2）水平方向：Ps2=0.019 7 MPa。

（3）垂直向上：Ps3=0.019 7 MPa。

（4）垂直向下：Ps4=0.039 4 MPa。

3　有限元計算結果

按照上述三種慣性力加載方式分別加載，得到1CC液氯罐式集裝箱各部位的應力分析結果，如表3～表6所示。結果的評定按《集裝箱檢驗規范》（2012版）執行。

表4　與運動方向成直角的水平方向時三種加載方式應力強度計算結果（MPa）

基于《集裝箱檢驗規范》的強度評定準則：

（1）考慮慣性力時，1.5σ0≤Re；

（2）堆碼試驗時，σ0≤Re。

上述式中，σ0為計算所得最大合成應力值，Re為材料的屈服極限。

表5　垂直向上時三種加載方式應力強度計算結果（MPa）

表6　垂直向下時三種加載方式應力強度計算結果（MPa）

4　結論

采用ANSYS模擬分析的方法，對1CC液氯罐式集裝箱運動過程三種不同慣性力加載應力進行分析和對比，得出如下結論：

（1）由于受內壓及罐內液體晃動沖擊的影響，四種工況下罐體應力強度最大值均出現在筒體與封頭連接的局部位置，且相差不大；框架的應力強度最大值出現的位置不同，且應力強度數值相差較大；同時罐體與鞍座連接處應力值也較大。

（2）等效質量法因將罐內液體質量等效到罐體上，未考慮罐體內液體對罐內壁的沖擊作用，應力強度最小，而平均壓強法次之，沖擊載荷法最大。

（3）平均壓強法一定程度地反映了罐內液體沖擊對罐壁應力的影響，適合初步估算罐體和框架的應力強度。目前多數采用平均壓強法進行集裝箱罐體的設計。

（4）沖擊載荷法考慮了介質晃動因素，采用壓強最大值加載，計算結果偏于保守。在設計時罐體內可考慮增設防波板，以減少介質晃動的影響。

參考文獻

[1]國際海事組織.國際海運危險貨物規則（2013版）[S].

[2]中國船級社.集裝箱檢驗規范（2012版）[S].

[3]JB/T 4781—2005液化氣體罐式集裝箱[S].北京：新華出版社，2005.

[4]GB 150.1～150.4—2011壓力容器[S].

[5]李建國.壓力容器設計的力學基礎及其標準應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]劉雪梅，錢才富.液體晃動的數值模擬及不同慣性力加載方式對罐式集裝箱強度的影響研究[D].北京：北京化工大學，2009：71—75.

應用研究

Finite Element Analysis of Liquid Chlorine Tank Container Based on ANSYS

Wang Qiang Yang Chunming Wang Qingguo Wei Jiaguang

Abstract：A finite element analysis model is established by taking 1CC liquid chlorine tank container as an example.The finite element analysis calculation of 1CC liquid chlorine tank container is carried out through the equivalent quality method,average pressure method and impact load method respectively,when the inertial force of the medium is the static and dynamic load.The results show that the stress intensities on the container of the three different loading modes are finely discriminating while that on the framework and saddle are quite different.

Key words：Tank container; Inertial force; Stress; Finite element analysis; Liquid chlorine; Load

收稿日期：（2015-07-27）

中圖分類號TQ 050.2

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.004