基于Baydur復合材料下的新型集裝箱的研發

馬嘉啟，孟慶兵，張文靜

基于Baydur復合材料下的新型集裝箱的研發

馬嘉啟，孟慶兵，張文靜

（青島中集集裝箱制造有限公司，山東 青島 266599）

主要對傳統集裝箱箱體材料是否可以用Baydur復合材料替代進行研究，通過對Baydur復合材料集裝箱的制造成本、運營成本及環境因素分析，碳鋼與新型的復合材料的物理性能、化學性能比對，論證了Baydur復合材料替代傳統鋼制集裝箱材料的可行性。同時，對箱體關鍵部位、連接節點的結構進行設計，對未來使用新型材料替代傳統的碳鋼材料提供依據和思路。

集裝箱；復合材料；新型材料集裝箱；整體結構

伴隨著各種新型材料的誕生，在很多領域，新型材料已經取代了傳統的材料。目前在集裝箱上，鋼結構使用的材料主要為耐候鋼，鋼制集裝箱質量比較大，僅20英尺（1英尺=30.48 cm）標準集裝箱自身質量就超過2 t，作為貨運載體，運輸成本高、能耗大。同時，廢舊箱、二手箱重復再利用難度大。易生銹、耐腐蝕性差也是鋼材的薄弱之處。在這種前提下，能否可以采用一種性能優良、耐腐蝕性強、成本適中的材料來制造集裝箱，替代傳統意義上的鋼制集裝箱，便成為一個很有意義的研發課題。

1 發展背景

集裝箱作為全球貿易一體化的一個重要承載工具，對全球貨物的流轉起著舉足輕重的作用。據有效統計，每年集裝箱新箱的制造量大約在百萬TEU左右，然而，伴隨著新箱的制造，大量的舊箱、二手箱流入到市場，由于鋼制集裝箱回收困難，重復再利用空間有限，因此，對環境的破壞影響巨大。同時，鋼制集裝箱質量大，小柜自身質量都達到2 t以上，因此，在貨物流轉過程中，箱體皮重的周轉造成了大量的能源損耗。

Baydur復合材料作為一種新型的復合材料，由樹脂與玻璃紗復合而成，極大地提高了單一樹脂的性能，其機械強度、抗沖擊性、耐腐蝕性等均優于傳統的碳鋼。通過擠出成型工藝，可以制作不同截面的型材，進一步提高了材料的力學性能。目前此材料已經成功地應用在風力發電葉片、建筑框架結構、航天領域等。

2 關于制造成本、運營成本及環境因素分析

2.1 制造成本

2019年，全球制造的新集裝箱在220萬TEU左右，其中，每臺20英尺箱總質量為2 200 kg，鋼結構質量約 1 700 kg，鋼材價格按4.5元每千克計算，則全球每年用于集裝箱的鋼材約168.3億元人民幣。每臺箱均需做油漆防腐，油漆費用每臺約2 000元，每年用于集裝箱防腐的油漆約44億元人民幣。

2.2 運營成本

集裝箱在全球的流轉主要通過海運、汽車運輸和鐵路運輸。據世界鋁業協會報告，汽車自身質量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%。汽車每減輕100 kg的質量，每100 km油耗可降低0.4 L。

新型復合材料集裝箱自身質量輕，同結構強度下，僅為鋼制結構箱質量的1/3，使用以上數據計算，每臺新型復合材料集裝箱運送100 km，就能節省5.8 L油，每升汽油按6元計算，每100 km運輸費用可節省35元。

2.3 環境因素

巴斯夫公司統計結果表明，汽車每減輕100 kg的質量，每100 km二氧化碳排放就可減少1 kg。如果采用新型復合材料集裝箱運輸，每100 km可減少14.6 kg二氧化碳的排放，其對于節約能源、保護環境、減少溫室氣體排放意義重大。

3 物理性能、化學性能比對

COVESTRO公司（原拜耳公司）生產的Baydur復合材料由20%的樹脂加80%的玻璃纖維紗復合而成，對該材料的物理性能和化學性能做了相應的試驗測試。

Baydur復合材料與耐候鋼之間的物理性能對比顯示如表1所示。

表1 新型材料與耐候鋼之間的物理性能對比顯示表

機械性能Baydur 復合材料（軸向）鋁合金型材碳鋼 GF-R（Type 6063-T5）耐候鋼 密度/（g·cm-3）2.052.77.85 拉伸模量/GPa61.568.9210 抗拉強度/MPa1031145500～530

新型材料與耐候鋼之間的化學性能對比顯示如圖1 所示。

圖1 新型材料與耐候鋼之間的化學性能對比顯示圖

以上結果顯示，Baydur復合材料部分物理性能及化學性能指標均高于耐候鋼。

4 整體結構及連接節點的設計

標準的集裝箱主要分為六大部分：底架、前端、門端、兩個側墻和頂部。其中，底架及側墻是起吊運輸時主要的承力單元。圖2為箱體的主體結構，其中，頂側梁、底側梁、角柱等主體框架結構均采用復合材料的擠塑型材，側板、端板與框架連接采用插接式。

其中，對角件處的連接節點做了進一步的研究，由于目前的角件材質為鑄鋼，且與港口吊機的卡爾瑪匹配，因此，此處還需要保留原有角件的孔尺寸及結構形式，但為了與角柱、底側梁、端檻做有效的連接，在角柱鑄造時，對原有結構進行了優化，使其可以與復合材料的型材進行簡單可靠的連接，如圖3所示。

圖2 箱體主體結構圖

圖3 角件節點處結構圖

5 結論

本文通過對Baydur復合材料與耐候鋼的性能比對研究，對復合材料集裝箱的雛形做了設計，對未來新型材料替代已有的鋼制集裝箱提供了設計思路和理論依據。新型復合材料集裝箱如果能替代傳統的集裝箱，其研發結果將為集裝箱行業帶來突破性的變革，經濟效益非常可觀，同時環保意義巨大，對集裝箱行業的發展具有深遠意義。

［1］全國集裝箱標準化技術委員會.集裝箱標準匯編［M］.北京：中國標準出版社，2002.

［2］哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學［M］.北京：高等教育出版社，2016.

［3］趙罘，楊曉晉.SolidWorks 2018中文版機械設計從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2018.

2095－6835（2021）06－0134－02

TH247

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.054

馬嘉啟（1988—），男，畢業于山東科技大學，碩士研究生，項目研發工程師。

〔編輯：王霞〕