大型密封包裝箱復合結構設計與優化分析

康寶臣，郭志軍，薛貴林

(山西汾西重工有限責任公司，山西太原030027)

0 引言

由于近幾年水中兵器產品的體積增大、質量增重，密封性要求更高，水中兵器密封包裝箱設計的難度也隨之加大[1-2]。水中兵器包裝箱的設計正向輕量化、簡潔化、多功能和通用化方向發展[3]。

在水中兵器包裝箱設計的過程中，既要考慮包裝箱的密封性要求，又要考慮到因產品和重量較大對其結構密封性的影響；同時，還要考慮到產品倉儲、維護操作及運輸等方方面面的要求[4]。在包裝箱的設計過程中，綜合了各個方面的因素和要求，使用了三維數字化設計、虛擬裝配技術、基于ANSYS的充內壓-堆碼-運輸等仿真計算，采用玻璃鋼復合材料[6]。該材料是以合成樹脂為粘接劑，玻璃纖維及其制品作增強材料而制成的樹脂基復合材料，又稱為玻璃纖維增強塑料(GFRP)。玻璃鋼有質量輕、強度高，抗疲勞性能、隔熱、防潮、防銹、減振性和耐化學藥品性好，電絕緣性能優良，施工工藝性和可設計性良好等特點，在汽車、船舶、鐵路運輸、建筑、日用品、家具、機電、化工、石油、國防等各個領域得到了廣泛的應用[5，7]。

1 設計要求

1)包裝箱外形要求(長×寬×高)：≤12 000 mm×2 000 mm×2 000 mm；

2)包裝箱自身重量：≤3 500 kg；

4)包裝箱應確保滿載充內氣壓狀態下，吊裝、鏟運時應具有良好的強度和剛度，能實現庫房兩層堆碼；

5)產品使用壽命(不含易損件和密封圈)≥20年；

以上要求中，傳統鋼制包裝箱因為重量過重，無法滿足重量要求，因此需采用玻璃鋼材料，而如此大尺寸的包裝箱，單純的玻璃鋼材料是無法滿足剛度和密封要求的，故本文采用的方案為玻璃鋼與鋼骨架復合結構設計。

2 大型包裝箱的結構設計與優化分析

箱體結構優化設計的首要任務是提高結構的強度和剛度。大量的資料和產品調研總結顯示，大部分玻璃鋼包裝箱采用瓦楞結構加強箱體的剛度和強度，也有局部加鋼件的結構、局部加竹木件的結構。本文的大型包裝箱結構采用大端面密封大開蓋結構，主要有上箱體、下箱體、搭扣、密封圈、及側向防碰撞塊等直屬零部件組成。

經過分析計算，結合設計要求，本文的大型包裝箱采用中間夾整體鋼骨架的復合結構，采用4套模具試制上箱體內膽、上箱體外殼、下箱體內膽和下箱體外殼，運用濕法合模技術，內膽和外殼與鋼骨架緊密貼合與粘結，保證整個包裝箱的強度和剛度要求。經過多次的優化與計算分析，大型包裝箱三維模型結構如圖1所示。

上箱體是包裝箱的主要構成，和下箱體對接配合實現箱體密封，保證滿載充內壓狀態下結構強度和剛度要求，包含上箱體支架組、玻璃鋼內膽組、玻璃鋼外殼組、儀表系統，上接插塊等，結構如圖2。

下箱體是包裝箱的主要構成，和上箱體對接配合實現箱體密封，保證滿載充內壓狀態下起吊和叉車鏟運的結構強度和剛度要求，包含下箱體支架組、玻璃鋼內膽組、玻璃鋼外殼組、電檢查接口，下接插塊、堆碼塊、橡膠支座等，結構如圖3。

它指的是，在材料進場之前，項目方根據施工現場位置情況以及施工進程和材料周轉情況等，合理安排材料進場時間和批次。同時，為不耽誤工程進度和最大限度地提高施工效率，項目方要根據及時調配一定數量的裝卸搬運器械，并在合適的近處進行材料的堆碼。

玻璃鋼內膽和玻璃鋼外殼與鋼骨架之間采用濕法合模工藝，即在與鋼骨架接觸的面積上兩側各加寬20 mm區域，增加吸滿樹脂的棉狀絲網材料，再合模壓緊固化的一種工藝。

3 ANSYS結構強度計算與仿真分析

3.1 下箱體鋼骨架在滿載狀態下鏟運的強度和剛度計算

有限元分析基本流程圖如圖4所示。

由于在各種工況下考核時，下箱體鋼骨架受力比較復雜，難度最大，所以在設計之初，考慮到整體結構需有一定的裕度，首先使下箱體鋼骨架本身就能滿足滿載狀態下鏟運的強度和剛度要求，產品重量為4 000 kg，四處支架組支撐產品。經過多次優化后的下箱體鋼骨架三維模型導入結構圖如圖5所示。

圖6為下箱體鋼骨架等效應力云圖，鋼骨架最大應力為132 MPa，小于材料的許用應力(許用應力165 MPa)。最大應力發生的位置為右側叉車孔上方區域圖中所指位置。圖7為下箱體鋼骨架變形云圖，最大變形量為7.2 mm，發生的位置為鋼骨架右側距離叉車孔最遠處位置圖中所指位置。計算結果符合工程實際，分析顯示鋼骨架在滿載鏟運狀態下的結構強度和剛度能夠滿足性能要求。

3.2 包裝箱在滿載充內氣壓狀態下鏟運時的強度和剛度計算

包裝箱三維模型導入如圖8所示。包裝箱三維模型網格劃分如圖9所示。

本文針對某型號大型包裝箱，應用大型有限元分析軟件ANSYS建立了復合結構有限元模型，按照各種設計工況，進行結構的有限元分析，然后按照各向異性復合材料層合殼理論對包裝箱進行強度分析，應用Tsai-Wu強度比理論對玻璃鋼結構進行了校核。在玻璃鋼材料設置上采用文獻[8]中表3玻璃鋼材料力學性能參數(縱向抗拉強度X為200 MPa，縱向抗壓強度Xc為100 MPa，環向抗拉強度Y為 200 MPa，環向抗壓強度Yc為140 MPa，Z向抗拉強度Z為60 MPa，Z向抗壓強度Zc為100 MPa)。由于三維模型特別復雜，為了便于計算，經ANSYS ICEM前處理軟件簡化處理后得，計算模型中含幾何體632個、定義的接觸關系2 731個、網格單元數約330萬、網格節點數約590萬。

為了便于觀察和分析，仿真計算結果云圖將上下箱體的外殼(外殼受力較小)隱藏，分析提取數據，將上箱體內膽和下箱體內膽提取出來進行后處理。

圖10和圖12為包裝箱及內膽等效應力云圖，玻璃鋼和鋼骨架這兩種材料的最大應力分別為35.4 MPa和62.6 MPa，均小于材料的許用應力(玻璃鋼Z向抗拉強度Z為60 MPa、鋼骨架許用應力為165 MPa)。最大應力發生的位置為叉車孔的區域圖中所指位置。

圖11和圖13為包裝箱及內膽變形云圖，最大變形量分別為2.3 mm和2.6 mm，最大變形發生位置為圖中所指位置。計算結果符合工程實際，分析顯示包裝箱鏟運狀態下的結構強度和剛度能夠滿足性能要求。

3.3 包裝箱在滿載充內氣壓狀態下吊裝時的強度和剛度計算

為了便于觀察和分析，仿真計算結果云圖將上下箱體的外殼(外殼受力較小)隱藏，網格劃分大小設置為三維模型最小壁厚。

圖14為包裝箱等效應力云圖，玻璃鋼和鋼骨架這兩種材料的最大應力分別為35.4 MPa和52.3 MPa，均小于材料的許用應力(玻璃鋼Z向抗拉強度Z為60 MPa、鋼骨架許用應力165 MPa)。最大應力發生的位置為起吊連接板處圖中所指位置。

圖15為包裝箱變形云圖，最大變形量為2.25 mm，發生的位置為箱體內膽兩端圖中所指位置。計算結果符合工程實際，分析顯示包裝箱鏟運狀態下的結構強度和剛度能夠滿足性能要求。

3.4 包裝箱在滿載充內氣壓狀態下兩側堆碼時的強度和剛度計算

為了便于觀察和分析，仿真計算結果云圖將上下箱體的外殼(外殼受力較小)隱藏，網格劃分大小設置為三維模型最小壁厚。

圖16為包裝箱等效應力云圖，玻璃鋼和鋼骨架這兩種材料的最大應力分別為35.1 MPa和204.2 MPa，最大應力發生的位置為堆碼連接板上圖中所指位置。堆碼連接板主體區域應力值集中在 158.7 MPa、152.8 MPa 和 161.5 MPa，小于鋼骨架許用應力 165 MPa，至于應力集中點為204.2 MPa所占區域極小，對鋼骨架整體強度無影響。玻璃鋼內膽最大應力值小于材料的許用應力(玻璃鋼Z向抗拉強度Z為60 MPa)。

圖17為包裝箱變形云圖，最大變形量為2.13 mm，發生的位置為箱體內膽兩端圖中所指位置。計算結果符合工程實際，分析顯示包裝箱鏟運狀態下的結構強度和剛度能夠滿足性能要求。

另外，以上各種工況的強度分析均未體現上下箱體連接壓緊機構“搭扣”的應力應變情況，由于搭扣在以上工況分析中應力值均在10 MPa以下，未單獨顯示，同時對上下箱體間的兩大峰三小峰硅橡膠密封圈壓縮量影響極小，可忽略不計。

4 結束語

基于ANSYS的包裝箱結構優化設計通過多工況的優化設計以后，實現了玻璃鋼材料薄壁結構的鋼骨架復合結構設計，體現了鋼骨架復合結構的玻璃鋼材料結構優化設計的特點，優化結果使得在滿足性能要求和功能要求的情況下，達到了優化結構、節約原材料和降低成本的目的。最終完成了玻璃鋼加鋼骨架復合結構包裝箱的設計和優化計算，可以作為玻璃鋼加鋼骨架復合結構設計的一般參考方法。

該大型包裝箱結構造型美觀，經過了堆碼抗壓、吊裝鏟運、密封性充內壓、模擬運輸、相容性等試驗鑒定，各項技術指標均達到了設計要求。現大型包裝箱已具備批試生產能力，以滿足產品包裝所需。利用兩大峰三小峰的硅橡膠密封圈實現了大端面密封，提高了大型包裝箱的整體密封性能，確保了產品的長貯安全可靠性，為今后包裝箱的設計提供了一種新的思路。