20英尺環衛集裝箱有限元分析及檢驗規范

徐舜吉　操安喜　沈聰　金永興

1 20英尺環衛集裝箱簡介

20英尺環衛集裝箱是上海環境物流有限公司用于城市垃圾水路和公路周轉運輸的專用集裝箱，是實現城市垃圾集約化管理和無害化管理的重要裝備，其垃圾裝運量占上海城市垃圾運輸總量的70%。集裝箱的結構可靠性和耐用性對運輸成本和運輸安全的影響較大。為保證國際標準集裝箱的安全性，國際標準化組織（International Organization for ，ISO）和中國船級社（China Classification Society，CCS）推出集裝箱標準規范和檢驗規范。[1-3]

目前，集裝箱箱體結構的安全性檢測及設計過程中用到的強度判據主要參考CCS制定的《集裝箱檢驗規范》（以下簡稱《規范》）。在集裝箱（尤其是特種集裝箱）的設計和開發過程中，除結合經驗數據外，利用有限元方法[4]對箱體結構進行計算和優化已成為常規的設計手段。例如：陶珍軍等[5]進行集裝箱剛度試驗的有限元模擬，較早地系統闡釋應用有限元軟件對集裝箱進行結構分析的全過程；程鋼等[6]對一種特制集裝箱進行有限元分析，并且系統闡釋當集裝箱結構不滿足要求時，如何利用有限元軟件進行結構優化；劉峻等[7]基于ANSYS參數化設計語言，模擬仿真小車滾壓測試，根據底板的不同鋪設情況及小車在集裝箱內的不同位置，按多工況對集裝箱底板進行靜力分析；鄭艷平等[8]通過有限元法計算、分析壓縮天然氣瓶組集裝箱在常溫環境下考慮動態慣性力影響后的結構應力水平，直觀地分析其框架在受載情況下的應力情況，并對框架的結構設計提出改進意見，使框架結構設計更加合理，從而提高瓶組集裝箱的安全可靠性；王琨博[9]計算20英尺低溫液體罐式集裝箱的結構強度，分析時采用板殼單元和梁單元，4個箱角剛性固定，并且將各個方向的慣性力轉化為動壓力疊加到設計壓力上，此計算結果很好地滿足了《規范》的要求。

20英尺環衛集裝箱的箱體結構采用薄形鋼板和結構型鋼焊接而成，其幾何尺寸為？？，屬于國際標準集裝箱中的1C型。不過，從使用的角度來看，環衛集裝箱則是典型的特種集裝箱，該箱自重約為，額定裝載量為。此外，環衛集裝箱的特殊性還表現在以下方面：（1）裝載的貨物為城市垃圾，其成分復雜且含有大量水分，對箱體側壁的作用力較大；（2）在垃圾打包壓縮裝載的工況下，環衛集裝箱類似于壓力容器，箱體結構四周所有壁面均承受來自壓縮機推頭的內壓力作用，該壓力與打包壓縮機推頭的推力直接相關。鑒于環衛集裝箱在使用過程中的特殊性，本文利用有限元軟件，分別進行在《規范》要求下集裝箱框架結構的靜力分析和考慮壓縮裝載工況時集裝箱框架結構的靜力分析，并將之與實際使用情況進行比較，以期為此類集裝箱的設計和檢測提供參考。

2 計算模型

2.1 有限元模型

首先，利用Femap軟件建立集裝箱幾何模型，考慮到環衛集裝箱多個工況載荷的對稱性，僅建立一半模型；然后，在幾何模型的基礎上劃分有限元網格，集裝箱各構件（如立柱、端橫梁、各類板材等）均采用板單元模擬。網格大小控制在？左右，單元數為，節點數為。20英尺環衛集裝箱幾何模型及有限元網格模型見圖1～3，箱體主體結構采用普通鋼Q235。

2.2 計算工況

依據《規范》（2012），結合20英尺環衛集裝箱裝載實況，共選取5種典型的試驗裝載工況，并計算各工況所對應的載荷值（見表1）。

3 計算結果及分析

3.1 按照《規范》要求計算集裝箱各構件所受應力及變形情況

按照表1中計算工況的要求，對20英尺環衛集裝箱箱體結構進行計算，獲得其在《規范》要求下的應力及變形情況如圖4所示，5種典型工況下集裝箱各構件的最大變形量和最大應力值見表2。

由表2可見：在《規范》設定的計算載荷條件下，20英尺環衛集裝箱結構最大應力值為，發生在靠近角件的前門楣處；最大變形量為，發生在底板上；側板變形量較小，僅為，而不受貨物直接作用力影響的頂板的變形量不到。由計算結果可知，箱體結構整體應力值不高，均在材料屈服強度以內，結構不會發生永久性變形現象。然而，從環衛集裝箱的實際使用情況來看，除框架變形不明顯外，底板、側板、頂板均發生明顯的永久性變形（見圖4）：箱體結構四周壁面板格可見明顯的外凸，板格面積越大，其變形量越大，尤其是幾乎不受箱內貨物直接作用力影響的頂板亦出現不同程度的永久性變形。由此可見，《規范》設定的檢驗工況并不能反映環衛集裝箱的實際使用工況。

3.2 施加壓縮裝載工況后計算集裝箱各構件所受應力及變形情況

通過現場調研發現，20英尺環衛集裝箱除具有國際標準集裝箱的吊裝、堆碼、轉運等工況外，還具有打包壓縮裝載的特殊工況（見圖5）。該工況的基本流程如下：首先，垃圾壓縮機艙門與集裝箱后門通過3個卸扣緊密對接；然后，壓縮機推頭將壓縮打包好的半緊實垃圾塊推送至箱內，推送過程中壓縮機械設備借助箱體結構對垃圾進行再次壓縮，直至集裝箱箱門能夠關上；最后，關上箱門。在此過程中，集裝箱類似于承受內壓的壓力容器，箱體結構的5個壁面承受來自壓縮機推頭的內壓力作用，該壓力與打包壓縮機推頭的推力和推頭移動的速度直接相關。經試驗測定，該壓力最大值約為0.033 MPa。

對箱體結構進行壓縮裝載工況的有限元計算分析，計算結果表明，在集裝箱頂板、側板、底板均出現超出屈服極限的高應力區。為此，本文對箱體結構進行非線性靜力分析，材料非線性數據取自文獻[10]，材料屈服極限值取，通過計算獲得箱體結構各構件在壓縮裝載工況下的最大變形量和最大應力值（見表3）。

分析顯示：在壓縮裝載工況下，20英尺環衛集裝箱頂板、側板、底板結構均有超出屈服極限的區域，屈服點均位于頂板、側板及底板的板格上，靠近橫梁、門楣或門檻的位置，箱體結構中的骨架結構（如頂橫梁、側背梁及底橫梁等）的應力均在彈性范圍內；箱體結構出現較大變形，最大變形量為，位于頂板板格，因為頂板最薄，側板的最大變形量為，底板的最大變形量為。壓縮裝載工況下20英尺環衛集裝箱的應力和應變分布見圖6。對比圖5與圖6可以發現，有限元數值模擬結果與環衛集裝箱箱體結構實際發生的永久性變形基本吻合。

從20英尺環衛集裝箱壓縮裝載工況的非線性靜力計算及分析結果來看，模擬仿真結果與環衛集裝箱實際使用情況吻合。在壓縮裝載工況下，環衛集裝箱箱體結構的永久性變形是由壓縮機推頭推力產生的內壓力通過貨物傳遞至箱壁面而引起的，該載荷為進行箱體結構評估的決定性載荷。

4 結束語

本文依據《規范》設定載荷工況和實際裝載工況，采用有限元方法對20英尺環衛集裝箱進行多工況下的結構靜強度計算，并將計算結果與集裝箱的真實使用情況進行對比研究，結果表明：（1）20英尺環衛集裝箱與國際標準集裝箱在使用條件上有很大差別，僅基于《規范》設定的計算載荷對此類集裝箱進行結構設計是不妥的，設計過程中應考慮箱體結構的壓縮裝載工況，在該工況條件下，箱體結構承受較大的內壓作用，這是進行結構設計和檢測的決定性條件；（2）建議對現有《規范》進行修訂，增加20英尺環衛集裝箱箱體結構強度計算校核和檢測相關內容。

參考文獻：

[1] 中國船級社.集裝箱檢驗規范[S]. 2012.

[2] 張敬軒. 試談國際標準集裝箱箱體結構的基本理論（上）[J]. 交通標準化，2001（5）：30-33.

[3] 張敬軒. 試談國際標準集裝箱箱體結構的基本理論（下）[J]. 交通標準化，2001（6）：31-33.

[4] 王勖成.有限單元法[M]. 北京：清華大學出版社，2003：163- 169.

[5] 陶珍軍，林德浩，劉旺玉，等. 集裝箱剛度試驗的有限元模擬[J]. 華南理工大學學報：自然科學版，1994，22（5）：26- 31.

[6] 程鋼，史寶軍. 一種特制集裝箱結構優化設計有限元分析[J]. 山東建筑大學學報，2010，25（4）：355-358.

[7] 劉峻，高建和. 基于有限元的集裝箱底板靜力分析[J].制造業自動化，2012，34（12）：95-98.

[8] 鄭艷平，朱厚軍. CNG瓶組集裝箱框架結構的應力分析[J].包裝與食品機械，2012，30（5）：25-28.

[9] 王琨博. 20英尺低溫液體罐式集裝箱的結構強度計算[J].中國化工裝備，2014（5）：15-18.

[10] 張磊. Q235鋼拉伸性能的有限元仿真與試驗[D].吉林：吉林大學，2012.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-03-28）