某型罐式集裝箱試驗失效分析

摘要：對某型罐式集裝箱試驗進行失效分析，用非線性有限元算法進行了模擬，揭示了失效的本質為罐體彈性失穩導致了最終的塑性垮塌，排除了人孔開閉對試驗的影響，并指出現有試驗方案存在缺陷，進而對試驗方案進行了優化，優化后的試驗方案有效避免了罐體損傷發生。

關鍵詞：罐式集裝箱;失穩;有限元

某型罐式集裝箱在進行吊頂試驗時[1]，發生了罐體損傷。如圖1，表現為罐體人孔區域塌陷，遠人孔區產生褶皺。在試驗時，人孔處于打開狀態，試驗員認為人孔未關閉導致了失效發生。

到達現場后先進行背景調查，其試驗載荷為：集裝箱試驗總載2R，罐體加載W=2R-T=W1+W2;集裝箱額定總重R=36噸，額定皮重T=2.5噸;試驗條件下，罐體內液體重量W1=21.67噸，其余載重W2=47.83噸由4 條綁帶提供，綁帶寬度300mm。經檢驗，罐體建造合格無缺陷。

試驗操作過程如圖2，先將四個液壓缸插入罐式集裝箱四個頂角件并向上提升，使箱體離地一段距離。再通過地坑里的四個液壓缸向下拉緊綁帶來提供W2。地坑里的四個液壓缸未加載至目標值時，罐體人孔區域突然塌陷。

四根綁帶為罐體帶來了外壓條件，人孔和周邊的法蘭又導致了罐體中上部剛度不連續、存在較大剛度差，再結合罐體人孔區域的塌陷和周邊褶皺，初步判斷為外壓失穩。

為進一步驗證失效原因，采用有限元法對加載過程中人孔區域的變形穩定性進行計算。為確保分析結果可靠，采用了幾何非線性算法，對每一個載荷步的剛度矩陣進行更新，以準確跟蹤失效區域在加載過程中的剛度變化情況[2]。

1???? 分析模型的建立

1.1? 有限元分析模型

在ANSYS中建立有限元分析模型，如圖3，角件和后端底梁連接橋板采用實體單元，共20，590個單元;其余零部件均為殼單元，共228，248個單元。

1.2? 約束與載荷

約束：頂角件頂孔約束所有自由度。

載荷：重力加速度9.8m/s2;罐體內壁液壓呈線性分布，最大液壓0.0219MPa，分布如圖4（a）;綁帶對罐體外壁壓強呈線性分布，最大壓強0.223MPa，分布如圖4（b）。

對試驗時人孔打開和關閉兩種情況分別進行了計算，以確認人孔開閉對塌陷的影響。

2???? 分析結果

2.1? 試驗時人孔打開

當載荷加載至目標值的91%時，非線性計算開始不收斂，如圖5，這意味著罐體人孔區域開始出現幾何不穩定。

如圖6，該載荷值下Von Mises應力云圖（變形放大80倍）顯示，在人孔區域開始出現不穩定時，人孔區域有塌陷趨勢，這和試驗結果一致。此時， 人孔 區域 最大 應力 138MPa，并 未超 出材 料的 許用 應力（316L，170MPa），此外人孔周邊有四個花瓣形大應力帶。

如圖7，該載荷值下第三主應力云圖（變形放大80倍）顯示，在人孔區域開始出現不穩定時，最大第三主應力為-138MPa。通過和Von Mises應力云圖對比，發現人孔周邊的四個大應力帶均以壓應力為主。驗證了先前的判斷：人孔區域發生了失穩[3]，更進一步的，人孔區域的垮塌是由彈性失穩引起的。

2.2? 試驗時人孔關閉

2.3? 試驗方案優化

目前的試驗方案實質上偏離了罐式集裝箱驗箱標準初衷。根據驗箱標準，2R-T的載荷應加載至罐體內部，對罐體產生的是內壓。如果采用綁帶對罐體外部加載，顯然改變了試驗時罐體的受力狀態，罐體由承受內壓變為同時承受外壓，產生失穩隱患。

如果要順利完成試驗而不變更現有試驗設備，最佳的方式是用鐵砂替代水充裝罐體，但這種方式操作費時費力?？紤]到本次試驗主要是為了檢驗與罐體配套的新框架強度，罐體強度不是關注點，故建議在罐體內打入1Bar內壓，來增強罐體外壓承載能力。通過再次模擬，打入1Bar內壓后，在原試驗條件下，罐體人孔區域不產生失穩。根據優化后的試驗方案，樣箱試驗順利完成，未發生罐體人孔區域塌陷。

3結語

計算模型和算法不變，將人孔封口模擬人孔關閉狀態。當載荷加載至目標值的91%時，人孔區域開始失穩，承載能力階躍式下降，參見圖8。故而人孔開閉對失穩臨界載荷無影響。

利用非線性有限元分析技術，對某型罐式集裝箱試驗進行失效分析，揭示了失效的本質為罐體彈性失穩導致了最終的塑性垮塌，排除了人孔開閉對試驗的影響，并指出現有試驗方案存在的缺陷，進而對試驗方案進行了優化。優化后的試驗方案保障了樣箱試驗的順利進行，未再出現罐體失效現象。

參考文獻：

[1]?? 集裝箱驗箱規范[S].中國船級社，2016.

[2]?? ANSYS有限元分析實用教程[M].清華大學出版社，李黎明，2004.

[3]?? 減壓塔大開孔結構穩定性分析[J].潘新偉，楊心理，閆思和.壓力容器，2013（08）.

作者簡介：

沈彥杰（1985-），江蘇南通人，碩士，主要從事工程結構分析與優化設計研究.