H式集裝箱裝卸架結構性能分析

管群生 賈楠 李紅勛

GUAN Qun-sheng et al

1. 總后軍交運輸研究所 天津 300161

2. 軍事交通學院 天津 300161

1 前言

H式集裝箱裝卸架（以下簡稱H架）是整體自裝卸補給車裝卸集裝箱的專用屬具。H架上布置了四個圓錐導向體，通過與集裝箱一端的四個角件連接后構成一個整體，供自裝卸系統作業。相較傳統整體自裝卸車需借用其他設備將集裝箱吊裝、固定在托盤上后再進行作業的方式，帶有H架的整體自裝卸車可以在維持原有功能的前提下具有直接裝載集裝箱的能力，有效節省了裝卸時間，同時由于減少了托盤，不僅提高了載荷利用率，而且降低了裝載質心，提高了行車的安全性。整體自裝卸補給車集裝箱作業如圖1所示。

H架由上下兩部分套疊而成，上部分由一根橫梁和兩根鋼管焊接構成，下部分由兩根側管、兩根鋼管及連接板焊接構成，伸縮長度為554 mm。上下段伸縮管采用方管結構，管內采用尼龍滑塊進行間隙的調整和導向。H架上下部各焊接兩塊平板，并在對應集裝箱角件位置分別焊接兩個圓錐導向體。作業時，先將H架上的圓錐導向體插入四個角件，完成集裝箱的鎖緊加固，再由自裝卸機構吊掛H架完成集裝箱裝卸作業。H架的結構如圖2所示。

由于H架在工作過程中將承受拉伸、壓縮、剪切、彎曲、交變等多種載荷，利用經典方法分析其結構性能較為復雜，因此，本文利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對H架在各工況下的結構性能進行分析，驗證其結構強度能否滿足使用要求。

2 各工況受力情況分析

2.1 第一工況受力分析

第一工況示意圖如圖3所示。在裝卸過程中，將吊臂開始拉H架吊環的瞬間設為第一工況，對其分析可知，由于速度可以忽略不計，此時集裝箱可視作受力平衡狀態。集裝箱后部著地點N處的重力矩和吊臂的拉力矩平衡。該工況下受力如圖4所示。

根據受力分析，得到公式

式中，G=16 000 kg，L=6 058 mm，a=200 mm。

計算得T1=80 000 N，方向豎直向上。

2.2 第二工況受力分析

第二工況示意圖如圖5所示。將集裝箱被拉起至最大角度時的工況設為第二工況，忽略速度和慣性力的影響，此時集裝箱下邊緣與支撐導向板剛接觸，可看作導向板對集裝箱沒有支持力，集裝箱前端抬起角度最大，后端著地，根據力矩平衡原理，受力分析如圖6所示。

根據受力分析，得到公式

計算得T2=80 000 N，方向豎直向上。

2.3 第三工況受力分析

將集裝箱裝箱完成前一時刻的工況作為第三工況，如圖7所示。此時集裝箱后端被導向板支撐，導向板支撐力、拉力與重力平衡，將導向板支撐力簡化為作用在導向板水平中心處的集中載荷，受力分析如圖8所示。

根據受力分析，得到公式

式中，b為導向板水平中心至集裝箱右側壁距離，約為800 mm。根據力矩平衡可解得：T3=64 036 N，方向豎直向上。

3 有限元分析模型的建立

a. 模型導入。利用ANSYS Workbench和Solidworks的雙向互導功能，將Solidworks中建立的H架模型導入ANSYS Workbench環境中[1]。

b. 添加外載荷。H架所受的主要載荷為四個角件位置的工作阻力以及橫梁上提升力。H架的自身重力可通過添加重力加速度的方法由計算機自動求得。以第一工況為例，對裝配體添加約束和力，如圖9所示。

c. 材料參數。H架的主體結構采用Q235A鋼材，其屈服極限σs=235 MPa，密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.12×1011Pa，泊松比μ=0.312。

d. 網格劃分。采用自動化分法（automatic method）對H架進行網格劃分，單元格類型選擇具有可塑性的solid45，共劃分11 095個四面體網格、16 692個節點。圖10為H架的網格劃分結果。

4 H架的有限元分析

在前期工作的基礎上，運行結果分析可得到H架在三種工況下的應力分布和結構變形情況，如圖11～16所示。

由圖11～16可知，H架的整體受力比較均勻，最大應力出現在吊環中間的局部位置，大小約為90.01 MPa，應力位置符合實際情況。按照Q235A屈服極限限σs=235 MPa，計算求得其安全系數為n=2.6。可見，該結構設計安全可靠，符合設計規范[2]。

5 總結

介紹了H架的基本功能和主要結構，分析計算了H架在各種工況下的受力情況，最后利用ANSYS Workbench軟件對H架的結構性能進行了有限元分析，得到了三種工況下H架的應力和變形情況，結果表明H架的設計符合規定，安全可靠。

本文采用現代設計方法，利用計算機輔助計算完成復雜結構件的機械性能分析，與傳統分析方法相比，減少了人員計算工作量、提高了工作效率、計算精度和準確性，取得了明顯效果。此分析方法對于改進原有產品的設計或進行其它新產品的開發研制都有重要的現實意義。

[1] 浦廣益. ANSYS Workbench 12 基礎教程與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

[2] 劉鴻文. 材料力學[M]. 北京:高等教育出版社,2003.