基于CAE技術(shù)的谷物集裝箱安全性分析

摘? 要：文章推導(dǎo)出顆粒介質(zhì)對(duì)集裝箱壁面載荷的計(jì)算公式，采用CAE靜力學(xué)仿真技術(shù)，建立谷物集裝箱兩種使用工況下的有限元模型，利用CAE軟件模擬谷物集裝箱剛度和強(qiáng)度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱設(shè)計(jì)原則，分析標(biāo)準(zhǔn)干貨集裝箱用于存儲(chǔ)谷物的可行性，并探討谷物集裝箱優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，這對(duì)其他用于存儲(chǔ)顆粒介質(zhì)的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定參考作用。

關(guān)鍵詞：集裝箱;顆粒介質(zhì);CAE;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）04-0115-03

Safety Analysis of Grain Container Based on CAE Technology

SHEN Sainan

（World Oriental International Container （Qidong） Co.， Ltd.， Qidong? 226265， China）

Abstract： In this paper， the calculation formula of the load of granular medium on the container wall is derived， and the finite element model of grain container under two use conditions is established by using CAE static simulation technology， simulates the stiffness and strength of the grain container by using the CAE software， analyzes the feasibility of the standard dry cargo container for storing grain according to the design principle of the standard container， and discusses the optimization design direction of the grain container， this has a certain reference for the design of other products for storing granular medium.

Keywords： container; granular medium; CAE; optimization design

0? 引? 言

集裝箱作為陸運(yùn)和海運(yùn)的重要載貨媒介，是多式聯(lián)運(yùn)的重要一環(huán)，而探索標(biāo)準(zhǔn)集裝箱產(chǎn)品的特殊用途，一直是業(yè)界熱點(diǎn)和難點(diǎn)，比如考慮經(jīng)濟(jì)性，要求標(biāo)準(zhǔn)集裝箱既可以作為普通干箱發(fā)揮運(yùn)輸用途，又可以儲(chǔ)存谷物等顆粒介質(zhì)發(fā)揮倉(cāng)儲(chǔ)功能。本文針對(duì)20尺標(biāo)準(zhǔn)干貨集裝箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單更改，探索其用于存儲(chǔ)谷物的安全性和優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，這對(duì)用于存儲(chǔ)顆粒介質(zhì)的其他產(chǎn)品的壁面載荷計(jì)算、設(shè)計(jì)、安全性分析和優(yōu)化具有一定參考作用。

1? 顆粒介質(zhì)對(duì)集裝箱壁面載荷的計(jì)算

普通固體貨物放置于集裝箱中，集裝箱壁面所受最大載荷可以參考各船級(jí)社和其他機(jī)構(gòu)關(guān)于集裝箱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1]。而液體放置于集裝箱中時(shí)，集裝箱壁面所受載荷可以通過簡(jiǎn)單公式計(jì)算獲得。顆粒介質(zhì)區(qū)別于普通固體貨物與液體，集裝箱填裝顆粒物時(shí)，箱體形成事實(shí)上的筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)。筒倉(cāng)底部所受載重在受力截面上均布，筒倉(cāng)立面和斜面所受物料壓強(qiáng)參考《GB 50077-2017 鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱“筒倉(cāng)標(biāo)準(zhǔn)”），分深倉(cāng)與淺倉(cāng)兩種情況求解[2]。根據(jù)集裝箱裝載谷物時(shí)放置方式的不同，分為垂直放置（深倉(cāng)）與水平放置（淺倉(cāng)）兩種使用工況。

1.1? 深倉(cāng)壁面載荷計(jì)算

如圖1所示，對(duì)于深倉(cāng)，貯料頂面、貯料頂部錐形體重心以下，距離S（m）處的水平截面上，倉(cāng)壁所受水平壓強(qiáng)Ph（kPa）應(yīng)按下列公式計(jì)算：

其中：

Ph=Ch·γ·ρ（1-e-μ·k·s/ρ）/μ? ?（1）

k=tan2（45°- ?/2）（2）

式中：Ch為深倉(cāng)貯料水平壓力修正系數(shù);γ為貯料的重力密度（KN/m3）;ρ為筒倉(cāng)水平凈截面的水力半徑（m）;e為自然對(duì)數(shù)的底;s為貯料頂面或貯料椎體重心至計(jì)算截面的距離（m）;μ為料對(duì)倉(cāng)壁的摩擦系數(shù);k為側(cè)壓力系數(shù);?為貯料的內(nèi)摩擦角（°）;倉(cāng)底或漏斗頂面處所受豎向壓強(qiáng)Pv（KPa）應(yīng)按下式計(jì)算：

（3）

式中：Cv為深倉(cāng)貯料豎向壓力修正系數(shù);hn為貯料計(jì)算高度（m）。

注：當(dāng)按上式計(jì)算的Pv值大于γhn值，γhn應(yīng)為淺倉(cāng)的豎向壓力。

貯料重力密度γ參見筒倉(cāng)標(biāo)準(zhǔn)附錄A《貯料的物理特性參數(shù)》，Ch值參見筒倉(cāng)標(biāo)準(zhǔn)表4.2.5-1，Cv值參見筒倉(cāng)標(biāo)準(zhǔn)表4.2.5-2。

針對(duì)集裝箱，hn（m）=貯料頂面-貯料底面。

筒倉(cāng)倉(cāng)壁水平任意凈截面，矩形筒倉(cāng)任意凈截面的水力半徑（ρ（m）應(yīng)按下列公式計(jì)算：

ρ=A/U（4）

ρ=anbn/2（an+bn）（5）

式中，A為筒倉(cāng)水平截面的凈面積（m2）;U為凈截面的周長(zhǎng)（m）;an為矩形筒倉(cāng)倉(cāng)壁長(zhǎng)邊內(nèi)邊緣的邊長(zhǎng);bn為矩形筒倉(cāng)倉(cāng)壁短邊內(nèi)邊緣的邊長(zhǎng)。

1.2? 淺倉(cāng)壁面載荷計(jì)算

如圖2所示，平面為圓形，矩形的淺倉(cāng)，貯料壓力的計(jì)算應(yīng)符合以下規(guī)定：

1—平頂面貯料;2—斜頂面貯料;3—貯料頂部錐形體的重心;4—s深度處的計(jì)算截面

圖2? 淺倉(cāng)貯料壓力示意圖

貯料頂面、貯料頂部錐形體重心以下，距離s（m）處的水平截面上，作用于倉(cāng)壁上的水平壓強(qiáng)Ph（KPa）應(yīng)按下式計(jì)算：

Ph=kγs? （6）

筒倉(cāng)的貯料計(jì)算高度hn與其內(nèi)徑dn的比大于1.0且小于1.5、矩形平面的短邊的bn的比大于0.4且小于1.5時(shí)，除按式（6）計(jì)算外，還應(yīng)按式（1）計(jì)算貯料壓力，取其二者計(jì)算結(jié)果的最大值。

貯料頂面、貯料錐形頂重心以下距離s（m）處豎向壓強(qiáng)Pv（KPa）應(yīng)按下式計(jì)算：

Pv=γs （7）

2? 有限元分析模型的建立

谷物箱設(shè)計(jì)方案為：將20尺標(biāo)準(zhǔn)干箱側(cè)壁厚度從2 mm改為3 mm后門端朝上垂直放置于地面，打開門端，裝載28噸谷物后，關(guān)閉門端再翻轉(zhuǎn)90°水平靜置于地面。根據(jù)集裝箱產(chǎn)品設(shè)計(jì)總原則，兩種工況下谷物箱主結(jié)構(gòu)不允許大面積屈服，箱體永久變形不可導(dǎo)致尺寸超差，且門端仍能開合。

由于采用真實(shí)物理試驗(yàn)評(píng)估谷物箱安全性存在諸多限制與缺陷，比如時(shí)間周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)費(fèi)用高和安全隱患多，因此本文采用CAE靜力學(xué)仿真技術(shù)評(píng)估箱體剛度和強(qiáng)度性能，判定方案可行性。

模型方面，為了提高計(jì)算效率同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，本文對(duì)物理模型做合理簡(jiǎn)化。第一、刪除與主結(jié)構(gòu)無關(guān)的零件，如繩鉤、膠條和銘牌等;第二、簡(jiǎn)化僅用于傳力而不作為主要分析對(duì)象的零件，如門鉸鏈、鎖頭和鎖座等;第三、去除小于5 mm的倒圓和倒角以提高網(wǎng)格質(zhì)量降低網(wǎng)格數(shù)量;第四、考慮谷物集裝箱左右對(duì)稱，計(jì)算時(shí)采用1/2對(duì)稱模型，降低計(jì)算規(guī)模，節(jié)省計(jì)算時(shí)間;第五、垂直放置工況，門頁承開啟狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)無剛度補(bǔ)充作用，因此計(jì)算該工況時(shí)刪去門頁[3]。

材料方面，20尺標(biāo)準(zhǔn)干箱主結(jié)構(gòu)材質(zhì)為SPA-H，彈性模量2.1E5 MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度355 MPa[4]。

載荷方面，箱體裝載28噸糧食，根據(jù)上文公式推導(dǎo)，垂直放置工況載荷參數(shù)如表1所示。

水平放置工況載荷參數(shù)如表2所示。

表1代入函數(shù)式（1）（3）可得深倉(cāng)壁水平壓強(qiáng)Ph1和豎直壓強(qiáng)Pv2，表2代入函數(shù)式（6）（7）可得淺倉(cāng)倉(cāng)壁水平壓強(qiáng)Ph2和豎直壓強(qiáng)Pv2。

位移邊界條件方面，垂直放置時(shí)，前角件端面固定約束，水平放置時(shí)，底角件端面固定約束。

求解算法方面，采用幾何非線性算法，計(jì)算時(shí)更新每個(gè)載荷步的剛度矩陣，以準(zhǔn)確跟蹤主結(jié)構(gòu)的大跨度受壓區(qū)域在加載過程中的剛度變化情況[5]。

3? 可行性分析結(jié)果

垂直放置工況，箱體性能如圖3所示。

垂直放置工況，側(cè)板與底架基本處于彈性變形狀態(tài)，但頂板與前墻板大片屈服（鐵灰色區(qū)域）且變形過大，結(jié)構(gòu)在裝載和存儲(chǔ)谷物時(shí)存在安全隱患。

水平放置工況，箱體性能如圖4所示。

水平放置工況，頂板、前墻板、側(cè)板、門頁和底架基本處于彈性變形狀態(tài)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全。

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需同時(shí)滿足兩種使用工況，因此判定標(biāo)準(zhǔn)集裝箱用于裝載和儲(chǔ)存谷物設(shè)計(jì)方案不可行，并嚴(yán)禁標(biāo)準(zhǔn)集裝箱垂直放置裝載谷物。

4? 優(yōu)化設(shè)計(jì)

谷物箱使用過程中的安全隱患主要集中在垂直放置工況下的頂板和前墻板。考慮經(jīng)濟(jì)性、工藝復(fù)雜性和制作時(shí)間等因素，本文提出兩種加強(qiáng)方案，方案一側(cè)板波深從36 mm改為40 mm，每側(cè)增加2根60×60×3.0 mm立柱;方案二每側(cè)增加1根60×60×3.0 mm縱向加強(qiáng)管，頂部增加2根60×60×3.0 mm縱向加強(qiáng)管，計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)側(cè)板和頂板進(jìn)行加強(qiáng)后，側(cè)板和頂板的性能均得到了有效提升，但由于三種方案的側(cè)壁、頂板與前墻板變形過大且大片屈服，均無法滿足標(biāo)準(zhǔn)干箱用于垂直放置裝載和儲(chǔ)存糧食的需求。基于本文分析結(jié)果，筆者不建議將標(biāo)準(zhǔn)集裝箱直接或簡(jiǎn)單更改后用于谷物的裝載和存儲(chǔ)。

后續(xù)探索集裝箱產(chǎn)品用于儲(chǔ)存谷物或其他顆粒介質(zhì)時(shí)，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：第一、通過加厚側(cè)壁和前墻板、加大波深或在凹波內(nèi)放置立柱的方式，優(yōu)化側(cè)壁和前墻板性能，達(dá)到給結(jié)構(gòu)補(bǔ)充剛度的作用;第二、將谷物箱設(shè)計(jì)為硬開頂結(jié)構(gòu)，使谷物可以從頂部裝卸，避免集裝箱垂直放置裝糧工況，最終保證集裝箱裝載谷物的安全性。

5? 結(jié)? 論

目前情況下，不建議將標(biāo)準(zhǔn)集裝箱用于裝載和存儲(chǔ)谷物，后續(xù)可以嘗試通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足集裝箱的基本運(yùn)輸功能與裝載存儲(chǔ)谷物功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)船級(jí)社.集裝箱驗(yàn)箱規(guī)范 [M].北京：人民交通出版社，2016.

[2] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB50077-2017? [S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2018.

[3] 歐賀國(guó)，方獻(xiàn)軍，洪清泉.RADIOSS理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4] 劉鴻文.材料力學(xué) [M].北京：高等教育出版社，1992.

[5] 李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：沈賽男（1988—），女，漢族，江蘇南通人，CAE工程師，碩士，主要研究方向：工程結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。