某型包裝箱有限元分析

劉宇飛 李州

摘要：本文利用三維設計軟件建立了某型包裝箱的參數化實體模型，包裝箱箱體主體采用玻璃纖維復合材料，其機構及受力設計對使用、運輸及吊裝過程中安全起著決定性作用。通過ANSYS有限元分析軟件進行模擬、計算，得到包裝箱在充氣、運輸、起吊等不同工況條件下的應力分布和位移分布，有效指導了設計過程，使包裝箱結構更加合理，達到設計要求。

Abstract： This paper uses 3D design software to establish a parametric solid model of a type of packaging box. The main body of the packaging box is made of glass fiber composite material. Its mechanism and mechanical design play a decisive role in the safety during use， transportation and lifting. Through ANSYS finite element analysis software for simulation and calculation， the stress distribution and displacement distribution of the packing box under different working conditions such as inflation， transportation， and lifting are obtained， which effectively guides the design process and makes the packing box structure more reasonable and reaches the design requirements.

關鍵詞：包裝箱;有限元分析;充氣;運輸;起吊

Key words： packing box;finite element analysis;inflation;transportation;lifting

中圖分類號：TJ410.8;TB482.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）36-0201-03

0? 引言

包裝箱對裝備產品存儲、地面運輸等過程具有保護作用。具有防潮密封、防腐蝕、運輸過程的防震保護和位置固定等功能。本文研究的某型包裝箱采用端開蓋方式;箱體以玻璃纖維為增強材料，以環氧樹脂為基體材料，采用RTM和真空導入工藝方法制成的樹脂基復合材料。該結構中，箱體受力情況和結構復雜，其設計是否合理對在使用、運輸及吊裝過程中安全起著決定性作用。因此，對其進行有限元分析是十分有必要的。

ANSYS是目前功能最強大的有限元分析軟件之一，功能強大適用范圍廣，可以分析出復雜結構的應力及位移分布[1]-[3]。本文以ANSYS有限元分析軟件為平臺對某型包裝箱進行有限元分析，得到在充氣、運輸、起吊等不同工況條件下應力分布和位移分布，用于指導設計過程，達到符合設計要求的目的。

1? 建立有限元分析模型

1.1 實體模型

某型包裝箱（如圖1所示）主體結構采用玻璃鋼材料，包含箱蓋、箱體等組件。內部小車采用Q235材料，導軌采用Q235材料，吊環與筋板等受力件采用40Cr，導向輪采用尼龍6材料。整個箱體分為內部支撐部分，外部上下兩個箱體，內部支撐由導軌、導向輪組成，用于支撐某型裝備。某型裝備可靠固定于內部支撐，并可利用內部支撐可以拖出包裝箱外部，靈活移動至不同地點。其它部分由筋板、橡膠墊及螺栓等組成。

坐標系選取車輛前進方向為X軸正方向，豎直向上為Y軸正方向，Z軸（與內部支撐橫軸方向一致），以右手法則確定。

1.2 材料屬性

具體材料屬性如表1所示。

箱體兩側端板主要采用6mm玻璃鋼組成，上箱體與下箱體主要由玻璃鋼組合。內部小車包含導軌、支撐等組件，采用2mm、3mm、4mm、6mm等不等厚度Q235或40Cr組成。箱體總重為1600kg，內裝物3300kg。

1.3 計算內容

根據標準要求，箱體整個內表面填充10kPa大氣壓，并靜置。

根據GJB540.1-1988《飛航導彈強度和剛度規范 總則》，靜強度計算包含6個工況，如表2所示。

1.4 評估方法

在表2規定的靜強度工況下，計算等效應力（Von Mises）不得超過相應材料的許用應力。根據材料性能手冊屈服或彈性強度計算要求，鋼材母材的許用應力取材料的屈服強度的1/7，焊縫許用應力與母材許用應力相同，玻璃鋼材料許用應力同樣選取材料抗拉強度的1/7，如表3所示。

2? 有限元分析

本次計算使用商業有限元分析軟件ANSYS，單位選用mm（毫米），t（噸），MPa（兆帕），N（牛頓）。

2.1 網格劃分

根據箱體結構，箱體采用殼單元進行模擬，厚度取設計值;螺栓連接處采用梁單元進行簡化。整個模型單元大小約為20mm，結構單元共約28.4萬個，節點共約29.4萬個，接觸3對。有限元模型見圖2～圖3。

2.2 邊界條件

①充氣條件下。對整個箱體內表面施加10kPa壓強，對底部平面施加約束全部自由度。

②運輸條件下。各工況以加速度形式對整個模型施加慣性載荷，對底部平面約束全部自由度。

③起吊條件下。起吊工況下，將上端掉點位置處進行固定，放開底部自由度。

2.3 計算結果分析

①充氣工況下強度計算結果。

計算工況1中各材料應力極值位置統計結果見表4。

如圖4～圖5所示，等效應力較大位置主要分布在承載部件及箱體上表面附近等位置。利用系數最高的部位主要出現在導軌支撐座上，最大利用系數為0.504。

②運輸工況下強度計算結果。計算工況1，工況3，工況5的各材料應力極值位置統計結果見表5。

以工況1為例（如圖6～圖7所示），等效應力較大位置主要分布在承載部件及箱體上表面附近等位置。利用系數最高的部位主要出現在導軌支撐座上，最大等效應力為47MPa。

③起吊工況下強度計算結果。計算工況1的各材料應力極值位置統計結果見表6。

如圖8～圖9所示，等效應力較大位置主要分布在承載部件及箱體上表面附近等位置。利用系數最高的部位主要出現在箱體上表面和導軌支撐座上，最大應力為11.9MPa。

3? 結論

3.1 充氣工況

在充氣工況下，從云圖及計算數據可以看出，在箱體表面上，因內部填充氣壓，因此在表面積較大的箱體表面受力較大，但從靜強度工況（箱體）等效應力云圖可以分析，并未超出所用許用應力值。對于內部導軌支撐部分，從半剖及主要支撐結構上面分析及相關主應力云圖及位移，根據圖示主要分布在支撐部件與滑動梁焊接的部位上面。

3.2 運輸工況

在運輸工況下，從云圖及計算數據可以看出，在箱體不同載荷條件下，分別加載X方向，Y方向，Z方向不同的加速度極值，主要分布在端蓋兩側及上箱體部分，但靜強度工況等效應力云圖可以分析，并未超出所用許用應力值。對于內部導軌支撐部分，從半剖及主要支撐結構上面分析及相關主應力云圖及位移，主要分布在支撐部件與滑動梁焊接的部位上面以及導軌上面。

3.3 起吊工況

在起吊工況下，從云圖及計算數據可以看出，在箱體表面上，因吊點位置受重力比較大，因此在起吊過程中，發現在起吊點的位置處受力較大，但從靜強度工況（箱體）等效應力云圖可以分析，并未超出所用許用應力值。對于內部導軌支撐部分，從主要支撐結構上面分析相關主應力云圖及位移，主要分布在支撐部件與滑動梁焊接的部位上面。

通過ANSYS有限元分析軟件對上述不同工況綜合分析，可以明確包裝箱主要部件受力位置。根據機械設計手冊、材料性能手冊及相關標準及有限元等效應力云圖分析，可以判定各部分設計均未超出所用許用應力值，安全系數較高，該箱體部件在各條件下均滿足設計要求。設計人員可以根據有限元計算結果，并結合實際工況對安全余量較大部位進行結構優化設計，在對包裝箱重量要求時，對包裝箱進行輕量化設計。

參考文獻：

[1]宋志安.機械結構有限元分析[M].北京：國防工業出版社，2010：1-3.

[2]李黎明.ANSYS有限元分析使用教程[M].清華大學出版社，2005，5.

[3]王宏雁.有限元法在客車車身機構模態分析中的應用[J].北京汽車，2000：2-3.