基于ANSYS的集裝箱端壁強度分析＊

王景良

基于ANSYS的集裝箱端壁強度分析＊

王景良

（江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211100）

集裝箱被廣泛應用于鐵路運輸，以某20英尺（1英尺=2.54 cm）集裝箱為研究對象，應用PRO/E和ANSYS軟件，建立集裝箱模型，根據實際工況，針對集裝箱端壁進行強度分析。仿真結果表明，集裝箱端壁的變形和應力分布均符合實際情況，且殘余變形符合船級社要求。與試驗結果比較發現，端壁最大變形值與試驗值相比誤差小于5%。該方法可用于集裝箱端壁的設計和優化。

集裝箱；ANSYS；強度分析；殘余變形

集裝箱運輸是一種高效率、高效益、高質量的現代化運輸方式[1]。近年來，鐵路大力發展集裝箱運輸，集裝箱運量持續增長，但安全風險隨之加大[2]。在保證集裝箱自重最輕的前提下，提高集裝箱的強度，對延長其使用壽命具有重要意義。鐵路集裝箱裝運的貨物主要為煤炭、金屬礦石等大宗散貨[3]。在鐵路運輸過程中，滿載集裝箱拴固于高速行駛的列車上，在緊急制動或進行掛勾作業沖撞時，箱體承受較大的水平動載荷，集裝箱端壁發生變形。在集裝箱設計階段，利用軟件對集裝箱強度進行校核，不僅能夠節約人力、物力，還可以縮短研制周期，提高經濟效益。本文以某20英尺集裝箱為例，模擬鐵路運行時工況，采用有限元法對集裝箱端壁進行強度分析。

1 建立有限元模型

1.1 集裝箱建模

本文研究的工況結構對稱，載荷對稱，為了減少建模和計算工作量，建模時將已成熟的零件簡化，并采用半模型進行分析計算。為了便于網格劃分，提高網格劃分的質量和計算的準確性，在PRO/E中以面建立集裝箱模型，并存為igs文件。在PRO/E中建立的模型如圖1所示，將其導入ANSYS，并補全集裝箱頂板、側板、地板和連接螺栓。集裝箱由鋼板焊接而成，須將所有鋼板連接在一起，建立相互的連接形式[4]。

1.2 定義材料屬性和單元類型

圖1 集裝箱半模型框架

1.3 網格劃分

網格劃分是有限元分析的關鍵步驟，網格劃分的質量影響計算的難易程度和結果精度。本模型采用自由網格劃分方式，網格大小設置為20 mm。為了使模擬的工況更貼近實際工況，在進行門端強度分析時，鎖桿和箱門采用標準接觸分析，要保證接觸分析的準確性，須對箱門、鎖桿和連接螺栓的網格進行細化。

網格細化后的集裝箱有限元模型如圖2所示，共197 025個單元，其中坐標為集裝箱縱向，坐標為集裝箱豎直方向，坐標為集裝箱橫向。

圖2 集裝箱有限元模型

2 模型加載和約束

已知集裝箱自重2 230 kg，最大總重30 480 kg，可得到最大試驗載荷：

=－=28 250 kg （1）

式（1）中：為集裝箱最大總重，kg；為集裝箱自重，kg。

端壁強度試驗用于驗證集裝箱在鐵路運輸動載荷情況下，其端壁承載能力。當集裝箱一端封閉，另一端設有箱門，須對每一端進行試驗。試驗要求在箱內對端壁施加0.4g均布載荷時，集裝箱端壁能自由變形。試驗后，集裝箱不出現影響使用的永久變形和異狀，且尺寸仍能滿足裝卸、栓固和換裝作業要求。

在ANSYS中分別量取模型兩端壁板的長和寬，計算出前端壁板投影面積1=2 396 688 mm2，門端壁板投影面積2=2 576 322 mm2，取g=9.8 N/kg，前端壁板承受壓強記為1，門端壁板承受壓強記為2，則：

集裝箱栓固于高速行駛的列車上時，通過4個底角件對其進行約束。

本文建立的為半模型，因此，在集裝箱對稱面內添加對稱約束，在門端底角件添加UX和UY約束，在前端底角件添加UY約束。

3 仿真結果與分析

3.1 前端壁板仿真結果與分析

根據有限元模型，在前端壁板施加載荷1，進行計算，ANSYS中設置以全模型顯示使仿真結果更直觀。前端壁板加載后箱體應力分布如圖3所示。

圖3 前端加載箱體應力分布云圖

前端壁板中部變形最大為40.8 mm，中部應力為 327.4 MPa，小于屈服強度；最大應力為647.5 MPa，存在應力集中，但小于2倍的屈服強度，符合集裝箱行業要求。

對前端壁板進行塑性分析，卸載后箱體殘余變形如圖4所示，最大殘余變形為0.214 mm，符合船級社對前端壁板塑性變形小于8 mm的要求。因此，集裝箱前端壁板強度符合試驗要求。

圖4 前端卸載后箱體殘余變形云圖

3.2 門端壁板仿真結果與分析

在門端壁板施加載荷2，進行計算，門端壁板加載后箱體應力分布如圖5所示。門端壁板中部變形最大為33.5 mm，中部應力為224.6 MPa，小于屈服強度；最大應力為 636.9 MPa，存在應力集中，但小于2倍的屈服強度，符合集裝箱行業要求。對門端壁板進行塑性分析，卸載后箱體殘余變形如圖5所示，最大殘余變形為4.26×10－4mm，符合船級社對門端壁板塑性變形小于6 mm的要求。因此，集裝箱門端壁板強度符合試驗要求。門端卸載后箱體殘余變形如圖6所示。

圖5 門端加載箱體應力分布云圖

圖6 門端卸載后箱體殘余變形云圖

3.3 試驗結果與仿真結果對比分析

端壁強度仿真結果與試驗結果對比分析如表1所示。為了驗證仿真結果的準確性，在箱內按0.4g配載，利用質地均勻的軟質氣袋將載荷有效均勻地分布在端壁內側，5 min后，測得前端壁板中部最大變形為40 mm，門端壁板中部最大變形為35 mm。與試驗結果相比，可認為仿真結果是可信的。因此，該分析方法可以用于集裝箱設計的校核和優化。

表1 端壁強度仿真結果與試驗結果對比分析

試驗項目仿真結果/mm試驗結果/mm誤差率/（%） 前端試驗最大變形40.8402 門端試驗最大變形33.5354.2

4 結束語

本文對鐵路運輸中受動載荷的集裝箱的端壁強度進行了仿真分析。利用PRO/E和ANSYS軟件以面建立集裝箱半模型，并提出以梁單元代替螺栓，以Link單元代替鎖桿座，不僅提高了建模的效率和網格劃分的質量，還降低了網格劃分和計算的工作量。在對門端壁板進行強度分析時，采用受力時可分離的標準接觸，并對網格細化，提高了計算結果的準確性。經試驗驗證，ANSYS仿真計算值與試驗值相比誤差在5%以內。該分析方法不僅為集裝箱的設計與優化提供了理論依據，還節約了大量資源，具有深遠意義。

［1］周紅彬.鐵路集裝箱運輸安全風險管控重點探討［J］.鐵道貨運，2019，37（8）：55-60.

［2］楊海濤.關于天津市綠色物流體系建設方案研究［J］.鐵道運輸與經濟，2019，41（7）：1-7.

［3］吳璇，李光明.我國鐵路特種集裝箱運輸發展的研究［J］.鐵道貨運，2019，37（5）：35-39.

［4］榮慶賀.掘進機支承腿的有限元分析［J］.煤礦機械，2019，40（12）：89-90.

U661.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.015

2095－6835（2020）08－0041－02

江蘇省高職院校青年教師企業實踐培訓項目資助（編號：2019QYSJ057）

王景良（1988—），女，碩士，講師，主要從事結構設計與優化、機電控制方面的研究。

〔編輯：張思楠〕