基于ANSYS的垃圾轉運集裝箱密封性研究

張歐

上海環境物流有限公司 上海 200333

1 前言

隨著經濟的發展，我國生活垃圾數量逐年遞增。中國已超越美國成為全世界廢棄物產量最大的國家[1], 垃圾轉運與處理成為急需解決的問題[2-3]，上海市垃圾轉運主要使用聯運式轉運集裝箱。集裝箱轉運過程中存在車輛加減速、集裝箱堆碼、吊裝等工況[4-5]。目前在轉運過程中有滲瀝液泄漏的情況，會對環境產生一定影響[6-7]。

密封條在集裝箱密封中起關鍵作用，集裝箱用密封條是典型的壓縮型密封條，在密封過程中存在較復雜的受力變形情況，設計階段需著重考慮其壓縮負荷，以滿足要求[8]，研究者們主要使用有限元分析軟件對密封條結構進行優化設計。蔣明明將遺傳算法和神經網絡相結合, 得出密封條結構設計參數與壓縮負荷、應力等的非線性全局映射關系[9]。付治存利用ANSYS軟件對密封條進行了結構分析，通過對密封條的結構尺寸重新設計，以及對應力變形進行計算，最終使密封條的壓縮負荷滿足了設計目標要求[10]。陶志軍等利用非線性有限元軟件MSC、MARC模擬車窗密封條亮條與本體的安裝過程，發現網格處理方法對結果有著顯著影響，并通過與3D模型和成品試驗結果的對比，調整圓角處網格尺寸，同時對接觸部位的網格尺寸及質量進行嚴格控制，以得到較好的模擬結果[11]。王斌等基于密封條的優化改進，對密封條的斷面進行了優化設計，并利用CAE軟件進行理論分析,通過對密封條斷面的優化設計和車門內間隙的調整，成功優化了某款轎車的車門關閉力[12]。趙建才等利用非線性有限元法分析了密封條的壓縮受力變形特性，根據結構力學原理對密封條橫截面形狀進行了優化[13]。結果表明，在壓縮的3個階段，密封條結構中，下泡管左側和上下泡管連接處承受了較大的變形。劉紅波等探討了兩項乘用車尾門密封條設計防漏水設計方法,以及尾門漏水問題排查的一般方法，通過實例對密封面輪廓突變情況下的漏水問題進行了排查，并運用有限元仿真方法，對密封條截面進行了優化設計[14]。

目前針對車用密封條進行優化設計的研究較多，但對垃圾轉運集裝箱用密封條及其在轉運過程中的密封性能的研究較少。因此，本文基于某公司目前所使用的二代垃圾轉運集裝箱，建立了集裝箱和密封條的三維幾何模型，并對其在轉運過程中的應力應變情況進行了分析，得出了集裝箱在堆碼、吊裝和加減速工況下的應力分布以及變形情況，并對比分析了優化前后密封條的性能，優化后密封條所使用材料為TPEE。

2 有限元模型

2.1 模型建立

本文所分析集裝箱為某公司在虎林路碼頭應用的集裝箱，其主要任務為將中轉站垃圾轉運至碼頭，然后應用貨船運至指定地點，集裝箱的實體圖如圖1(a)所示，圖1(b)為密封條安裝圖。根據測量集裝箱的實體尺寸，應用CATIA軟件對箱體箱門以及密封條進行建模，幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何模型

集裝箱箱體及箱門材料設置為結構鋼，采用四面體劃分，單元尺寸為40 mm，劃分后箱體節點數為877645，單元數為451630，網格劃分如圖3(a)所示；箱門節點數為106571，單元數為58142，網格劃分圖如圖3(b)所示，單元翹曲變形較小，網格質量較好。為驗證節點數對有限元分析的影響，本文分別取35 mm、40 mm、45 mm3種不同精度的網格尺寸劃分方法對箱體進行網格劃分，應力云圖如圖4所示。取門框處應力作對比，如圖5所示，網格尺寸為40 mm時，網格尺寸上下浮動12.5%，門框處的應力變化不超過3%，滿足網格獨立性要求。

圖3 模型網格

圖4 應力云圖

圖5 網格獨立性研究

2.2 集裝箱轉運工況分析

2.2.1 堆碼工況

轉運集裝箱的箱體結構主要由結構鋼組成，其幾何尺寸為長6058 mm、高2438 mm、寬2438 mm，屬于國際標準集裝箱中的1C型。轉運集裝箱為典型的特種集裝箱，該箱自重約3.4 t，額定裝載量為17 t。堆碼工況下，堆碼的集裝箱為三層。在ANSYS中，設置集裝箱上表面所受均布載荷為399840 N，固定底面4個底腳。

2.2.2 吊裝工況

吊裝工況下，吊車通過吊繩吊起集裝箱，將集裝箱從碼頭運到貨船上，集裝箱主要是4個頂角受力，箱體吊裝過程速度較慢，可視為勻速運動，吊裝力為箱體的自重加裝載質量。箱體所受的總拉力為箱體總質量20.4 t。在ANSYS中，設置4個頂角上載荷為199920 N，模擬箱體進行吊裝運動。設置箱體底部內表面均布載荷為166600 N，模擬集裝箱內垃圾質量。

2.2.3 加減速工況

轉運過程中，車輛加減速所產生慣性力會使垃圾轉運集裝箱產生變形。本研究采用英國OXTS公司的RT2000慣性組合導航系統記錄轉運車輛的運動軌跡，慣性組合導航系統RT2000如圖6(a)所示，圖6(b)為裝車試驗圖。試驗得到的轉運車輛加速度數據如圖7所示，取轉運車輛啟動時最大加速度0.886 m/s2進行計算分析。本工況主要分析箱門處的變形以及應力狀態。根據實際裝載情況，垃圾的最大裝載高度為箱門高度的2/3左右，因此均布載荷施加在箱門下部2/3處，固定側邊鉸鏈以及卡扣。

圖6 加減速工況試驗

圖7 加速度曲線圖

3 有限元結果分析

3.1 密封條密封情況分析

垃圾轉運集裝箱箱門和箱體之間依靠密封條進行密封，根據CJ/T《496-2016垃圾專用集裝箱》[15]中集裝箱的密封性要求，計算可知，密封條和箱體之間單位長度接觸力最小為7759 N/m。

圖8(a)為虎林路碼頭目前使用密封條的結構圖。根據實際工況可知，密封條所受載荷為垃圾滲濾液的壓力和鉸鏈的密封力，其中密封力以位移載荷的形式體現，設3種工況下的壓縮量都為5 mm。結果表明，在5 mm的壓縮量(門縫間隙10.5 mm)時，單位長度密封條的接觸應力為8217.5 N，能夠滿足7759 N的最小接觸力，圖8(b)為密封條的接觸力圖，計算可得密封條與箱體的接觸長度僅為26.5 mm，接觸面積較小，如果有異物雜帶或受力變形等情況，容易出現密封不嚴導致漏液。由圖8(c)可知，密封條內部應力較大，最大應力為5.6 MPa。較高的應力容易引起密封條的機械老化，出現永久變形或是局部撕裂，進而降低密封條壽命，影響密封效果。

圖8 優化前密封條

本文根據材料優化后的密封條，對密封條的高度、上下寬度、唇邊寬度、唇邊高度、內空形狀及倒角等截面形狀參數進行了優化。圖9是優化的過程方案，最終形成現階段優化方案如圖9(c)所示，優化后的密封條結構尺寸圖如圖10(a)所示。在相同壓縮量下，密封條的最大內應力和平均內應力分別降低了9.8%和48%。在滿足最小接觸力的情況下，以相對小的接觸應力獲得了較長的接觸長度，約為31.4 mm，在少5%的接觸力下增加了19%的接觸長度。

圖9 密封條優化過程

圖10 優化后密封條

3.2 轉運工況分析

3.2.1 堆碼工況分析

堆碼工況下，箱體的變形以及應力情況如圖11所示。箱體的變形主要集中在箱體上端面，最大變形為0.92 mm，靠近上端面的中心處。本工況主要對箱門進行研究，從圖中可知箱門處的變形主要是上邊框變形。側邊框以及底邊框變形較小，在0.6 mm以內。堆碼工況下，箱體的應力主要是集中在箱體上端面，最大應力為37.1 MPa，在箱體上端面，箱門處的應力基本在12 MPa以內。

圖11 堆碼工況分析

3.2.2 吊裝工況分析

吊裝工況下，變形和應力如圖12所示。箱體的變形主要集中在箱體底面，在箱門底框也有相應的變形，箱體最大位移為1.8 mm，在箱體的底面中心處。本工況主要分析箱門處變形，箱門變形在0.40 mm以內。應力主要集中在箱體底面，最大應力為54.2 MPa，在箱體底面 中心處。兩側邊框也有相應應力，應力在18 MPa以內。

圖12 吊裝工況分析

3.2.3 加減速工況分析

加減速工況下，主要分析箱門的變形和應力狀態。如圖13所示，箱門的變形主要在箱門的中下部，箱門無加強筋處變形最為嚴重，最大變形為0.83 mm。箱門沿X、Y方向的變形不會對密封條的密封產生影響，沿Z軸方向的變形會影響箱體的密封。因此，本工況主要研究箱門沿Z軸方向的變形情況。圖13(b)為箱門Z方向的變形情況，最大變形在0.5 mm以內。此工況下產生的應力在整個箱門處都有分布，最大應力為40.1 MPa，在箱門側邊下部。

圖13 加減速工況分析

3.3 轉運工況對密封的影響分析

堆碼工況的變形主要集中在箱體中部，最大變形為0.92 mm。門框處的變形主要集中在上橫杠處，側邊框以及底邊框變形較小，對箱體密封不會產生影響。吊裝工況下的變形主要集中在箱體中部，最大變形為1.8 mm，箱門處變形在0.4 mm以內，此處應變不會對箱門密封產生影響。門框底邊雖然有一定的變形，但是變形是沿Y方向的，不會對密封條的密封產生影響。加減速工況下，箱門在Z方向的變形主要集中在箱門處，最大變形為0.73 mm，在箱門下部，沿Z方向的最大變形不超過0.5 mm。這一變形的影響可以通過密封條的優化設計來彌補。

優化后的密封條經過4個月的裝車使用，未發現明顯變形或損壞。圖14為使用4個月后的集裝箱情況，堆碼工況下也未發現明顯滲瀝液的出現。

圖14 密封條裝車試驗

4 結語

本文對垃圾轉運集裝箱箱體、箱門以及密封條進行了建模，分析了集裝箱在3種轉運工況下的變形情況，并針對其變形情況對密封條進行了優化設計。優化后的密封條通過裝車試驗能夠解決垃圾轉運集裝箱在轉運過程中存在的滲濾液泄漏情況。本文主要研究如下：

a. 優化后密封條的最大內應力和平均內應力分別降低了50%和66%；

b. 三種工況下，堆碼和吊裝工況對箱體密封影響較小，加減速工況對箱體密封影響較大；

c. 通過優化設計密封條的幾何特征和尺寸，能很好地解決轉運過程中滲濾液泄漏的情況。