復合材料包裝箱結構輕量化設計仿真技術研究

李楠，劉雷波，龔文化，孔得力

復合材料包裝箱結構輕量化設計仿真技術研究

李楠1，劉雷波1，龔文化1，孔得力2

（1.航天特種材料及工藝技術研究所，北京 100074； 2.火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第六軍事代表室，北京 100074）

針對復合材料結構包裝箱進行輕量化設計，使其在內壓及堆碼工況下，結構強度能夠滿足使用要求。針對局部非主承力位置進行改進，利用ABAQUS軟件對包裝箱的內壓和堆碼工況進行數(shù)值仿真分析，其中載荷工況安全系數(shù)均為1.5。包裝箱理論質量減少了64 kg，減少比例約為5.4%。最大載荷應力為344 MPa，變形量為4.69 mm，均滿足使用要求。包裝箱結構輕量化后，在內壓工況下各結構應力水平均有小幅上升，在堆碼工況下各結構應力水平無明顯變化，綜上均處于安全范圍，不會導致結構破壞。優(yōu)化后的產(chǎn)品，實現(xiàn)了輕量化效果，理論證明結構改進安全可靠。可為國內類似復合材料包裝箱輕量化結構改進提供數(shù)據(jù)支撐。

復合材料；包裝箱；輕量化；ABAQUS

大型復合材料包裝箱（以下簡稱包裝箱）作為產(chǎn)品的包裝防護裝備，主要確保產(chǎn)品運輸、貯存過程中免受侵蝕和機械損傷，具有包裝、運輸、吊裝、鏟裝、堆碼、氣密貯存等功能。縱觀近年包裝箱技術研究，董曉鋒等[1]從包裝箱外觀、鋪層及結構強度進行研究；張長安等[2]采用RTM成型工藝開展薄壁型結構復合材料包裝箱制備，提高箱體密封性及表面剛度；盧琦等[3]開展某金屬框架包裝箱載荷工況結構仿真技術分析；張鵬等[4]針對某金屬框架包裝箱結合各種工況，采用ANSYS軟件開展結構設計，通過調整金屬材質實現(xiàn)質量減輕的效果；孫福佳等[5]開展小型非金屬包裝箱設計及運輸試驗載荷驗證。均未涉及大型復合材料結構輕量化設計方面研究，文中以某大型復合材料包裝箱為例，開展典型結構輕量化設計。包裝箱主要由箱體、箱門及托車組成。箱體作為主體結構件，選用輕質夾芯玻璃纖維增強復合材料制造，主要包括乙烯基環(huán)氧樹脂、玻璃纖維經(jīng)編織物、輕木及鋼架等，結構為玻纖增強樹脂基外蒙皮+整體鋼質承力框架（U型槽內放置PVC泡沫）+輕木板層+玻纖增強樹脂基內蒙皮。箱體內部含托車裝備，主要用于產(chǎn)品在箱內的支撐、緊固及托載。

由于產(chǎn)品的特殊性，要求包裝箱具備輕量化、低漏率、高剛度的特征，考慮包裝箱主要材料玻璃纖維織物及輕木均為輕質材料，質量可減少余量甚微。針對包裝箱輕量化要求，本文從蒙皮增強織物鋪層簡化及鋼架結構減量2項方案分析利弊，最終采取鋼架結構輕量化設計，在給定的邊界條件下，以現(xiàn)有鋼架材料規(guī)格為變量進行優(yōu)化，通過ABAQUS軟件有限元分析進行仿真驗證，在結構質量最小化的同時滿足包裝箱的可靠性要求。

1 箱體減量優(yōu)化方案

箱體結構減量方案從兩方面進行可行性論證：蒙皮增強織物鋪層簡化；鋼架結構輕量化結構設計。包裝箱外形結構如圖1所示。

圖1 包裝箱模型

1.1 蒙皮增強織物鋪層簡化

箱體內外蒙皮為玻璃纖維增強織物、乙烯基聚酯樹脂基體采用真空樹脂灌注成型工藝（VARI）共固化成型。內外蒙皮玻纖織物按照鋪層順序整體鋪放于箱體模具表面，第2層為玻璃纖維短切氈（E級，300 g/m2），第2層為無堿玻璃纖維無捻粗紗布（E級，0°/90°經(jīng)編布，400 g/m2），第3層為玻璃纖維短切氈，第4層為玻璃纖維多軸向布（S級，0°/+45°/–45°經(jīng)編布，1 270 g/m2），第5層為玻璃纖維復合氈（S級，0°/+90°/?45°經(jīng)編布，1 500 g/m2，氈面向下鋪放），玻纖織物0°方向均為箱體長度（順航向）方向。拐角位置為避免架橋，根據(jù)情況做漸變搭接處理。

原材料使用原則：S級玻纖布增強拉伸、壓縮及彎曲強度；短切氈可塑性好，在玻纖織物層間交替鋪放可補強布層間縫隙，提升蒙皮層間剪切強度，從工藝角度可提高玻璃鋼蒙皮纖維體積含量，降低“富集樹脂”現(xiàn)象。若針對玻纖增強織物類型及鋪層順序結合內外蒙皮“拉、壓、彎、剪”力學性能承載能力進行簡化，必然導致箱體整體抗載能力降低，箱體局部承載區(qū)域將產(chǎn)生屈曲破壞風險；其次，玻璃纖維密度比合金鋼密度低，若僅對箱體進行局部非承載區(qū)域進行簡化鋪層，減量效果不明顯。故進行內外蒙皮增強織物鋪層簡化方案不可取。

1.2 鋼架結構輕量化結構設計

包裝箱整體鋼制承力框架作為主承力構件，與內部桁架梁、支腳均為剛性螺接固定，能夠實現(xiàn)箱體在堆碼時剛性傳力路徑，即上層滿載狀態(tài)的包裝箱質量壓在上堆碼座，靜力載荷通過焊接在上（下）堆碼座兩側的縱向圈梁傳遞至導軌，導軌將載荷力通過支腳傳遞至地面。保證了包裝箱在各種工況下的剛度、強度和穩(wěn)定性[6]。基于包裝箱堆碼工況載荷力傳遞路徑情況分析，在上（下）堆碼座與箱體口位置的5處圈梁為鋼質主承力框架，其余3處圈梁不作為主要傳力載體。

原箱體整體鋼質承力框架結構：8處縱向圈梁與1處橫向圈梁接口位置加工坡口，采用二氧化碳氣體保護焊焊接固定，最終形成網(wǎng)狀包絡結構，如圖2所示。焊縫位置力學性能符合QJ 176A—1999要求，焊接接頭的抗拉強度不低于母材的抗拉強度下限值的80%。其中，桁架梁與8處圈梁通過螺接固定于箱體內部下表面，4個支腳分別與桁架梁螺接固定。

包裝箱輕量化設計：對局部焊接位置進行簡化處理，即取消箱體3條非主承力縱向圈梁，采用與圈梁等厚度玻璃纖維預制板代替[7-8]，如圖3所示。基于不同基體樹脂固化收縮率存在差異，固化過程基體材料界面應力集中，存在開裂隱患問題。預制板原材料采用與箱體相同規(guī)格的環(huán)氧樹脂基體，樹脂固化時的收縮性低（不大于2%），產(chǎn)生的內應力小，使其對各種物質具有很高的黏附強度。玻璃纖維預制板采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂平紋布預浸料模壓工藝制備，纖維體積分數(shù)控制在55%～60%，形成比強度高的玻璃鋼板材。玻璃纖維預制板擁有較好的力學性能、耐久性、耐腐蝕性、耐疲勞性等，單位質量僅為合金鋼材料的四分之一。綜上所述，開展結構仿真，驗證箱體鋼架結構減量優(yōu)化方案的可行性。

圖2 原包裝箱鋼架結構

圖3 輕量化后包裝箱鋼架結構

2 力學仿真論證

包裝箱作為產(chǎn)品保壓貯存過程中的保障設備，其結構設計需滿足包裝箱內壓工況、堆碼工況載荷條件下的強度和剛度要求[9-11]。進行包裝箱相關工況的校核工作，采用ABAQUS有限元分析軟件進行力學仿真分析。

2.1 結構有限元模型

網(wǎng)格劃分：內/外蒙皮、輕木層尾段采用殼單元（S4R），PVC泡沫層、鋼架、輕木層（除尾段）采用四面體單元（C3D4）。共由214 645個單元組成，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

2.2 材料屬性

復合材料包裝箱的主要材料為玻璃纖維增強樹脂基復合材料、低合金鋼、PVC泡沫、輕木，材料屬性如表1所示[12-14]。

2.3 載荷工況

分別對2種狀態(tài)的包裝箱開展內壓、堆碼載荷工況有限元仿真分析計算，并對包裝箱蒙皮、鋼架、泡沫、輕木等多個結構的受力狀態(tài)變化情況進行對比分析，邊界約束條件設定為包裝箱4個支腳與地面接觸。

1）內壓載荷。依據(jù)復合材料包裝箱性能要求，包裝箱充壓縮空氣最大內壓為30 kPa，作用于箱體內壁。內壓載荷設定為Pressure（壓力載荷）。

2）堆碼載荷。包裝箱鋼架結構采用低碳合金鋼金屬材料，基于屈服強度失效準則對堆碼工況下結構的安全性進行評價，即結構最大應力不能超過許用應力[15]。包裝箱進行二層堆碼，作用于箱體上堆碼座滿載箱體質量為2 200 kg，根據(jù)包裝箱性能試驗要求，安全系數(shù)為1.5，下層包裝箱承受載荷力=3.234 kN，[]=230 MPa。堆碼載荷設定為Concentrated force（集中力載荷）。

表1 材料屬性

Tab.1 Material attribute

2.4 仿真結果

2.4.1 質量減少前后內壓工況應力云圖對比

1）外蒙皮。控制應力顯示范圍為0～100 MPa，明顯可見位于箱體中間2條減量環(huán)框處的應力水平升高，位于箱體上表面環(huán)框中間區(qū)域的最大應力值由10 MPa增大至27 MPa，環(huán)框拐角區(qū)域由13 MPa增大至40 MPa，此處為應力集中區(qū)域。對比其余位置均無明顯變化。云圖應力最大值小于玻璃纖維增強樹脂基復合材料破壞強度，結構安全。外蒙皮內壓工況應力云圖如圖5所示。

2）鋼架。控制應力顯示范圍為0～300 MPa，鋼質主承力框架位置的應力水平基本不變，主要承載力結構安全。其中，減量后位于箱體上表面玻璃纖維預制板中間區(qū)域比減量前金屬圈梁應力水平明顯升高，由16.7 MPa增大至117 MPa，此處為應力集中區(qū)域。最大應力值仍小于Q345低合金鋼破壞強度，結構安全。鋼架內壓工況應力云圖如圖6所示。

3）PVC泡沫。控制應力顯示范圍為0～1 MPa，明顯可見3條減量環(huán)框拐角區(qū)域應力水平升高，局部應力集中點由0.15 MPa增大至0.41 MPa，對比其余位置均無明顯變化。云圖應力最大值小于PVC泡沫的破壞強度，結構安全。PVC泡沫內壓工況應力云圖如圖7所示。

圖5 玻纖增強樹脂基外蒙皮內壓工況

圖6 鋼架（含玻璃纖維預制板）內壓工況

圖7 PVC泡沫內壓工況

4）輕木。控制應力顯示范圍為0～4.2 MPa，對比應力水平無明顯變化，應力集中點主要分布于箱體拐角區(qū)域，最大值小于輕木力學性能破壞強度，結構安全。輕木內壓工況應力云圖如圖8所示。

5）內蒙皮。控制應力顯示范圍為0～35 MPa，對比應力水平略微升高，應力集中點主要分布于箱體拐角區(qū)域，最大應力值為37.25 MPa，升高了17%，但仍小于材料破壞強度，結構安全。內蒙皮內壓工況應力云圖如圖9所示。

2.4.2 質量減少前后堆碼工況應力云圖減對比

1）外蒙皮。控制應力顯示范圍為0～33 MPa，對比應力水平基本不變，應力集中點主要分布于堆碼座兩側圈梁拐角區(qū)，最大值小于材料的破壞強度，結構安全。外蒙皮堆碼工況應力云圖如圖10所示。

2）鋼架。控制應力顯示范圍為0～300 MPa，對比應力水平基本不變，應力集中點主要位于固定支腳的鋼架梁位置，最大值小于Q345低合金鋼的破壞強度，結構安全。鋼架堆碼工況應力云圖如圖11所示。

3）PVC泡沫。控制應力顯示范圍為0～2.1 MPa，對比應力水平基本不變，應力集中區(qū)主要分布于4條主承力環(huán)框下端，其中PVC泡沫層在箱體拐角區(qū)域存在應力凸點，由于此材料為鋼架結構夾芯填充物，不作為主要承力載體，故不影響包裝箱整體結構強度穩(wěn)定性，結構安全。PVC泡沫堆碼工況應力云圖如圖12所示。

圖8 輕木內壓工況

圖9 玻纖增強樹脂基內蒙皮內壓工況

圖10 玻纖增強樹脂基外蒙皮堆碼工況

4）輕木。控制應力顯示范圍為0～5.4 MPa，對比應力水平基本不變，應力集中區(qū)主要分布于4條主承力環(huán)框下端，結構安全。輕木堆碼工況應力云圖如圖13所示。

5）內蒙皮。控制應力顯示范圍為0～30 MPa，對比應力水平基本不變，應力集中點主要分布于堆碼座邊緣拐角區(qū)，最大值小于材料破壞強度，結構安全。內蒙皮堆碼工況應力云圖如圖14所示。

2.4.3 質量減少前后最大位移情況云圖對比

1）內壓工況。控制位移范圍為0～4.7 mm，箱體內壓工況最大形變區(qū)主要集中于箱體上表面中部區(qū)域，減量前最大位移為4.48 mm，減量后最大位移為4.69 mm。箱體局部區(qū)域形變量略微升高。最大位移云圖如圖15所示。

2）堆碼工況。控制位移范圍為0～3.32 mm，箱體內壓工況最大形變區(qū)主要集中于箱體上堆碼座，減量前最大位移為3.32 mm，減量后最大位移為2.21 mm。箱體形變水平無明顯變化。最大位移云圖如圖16所示。

圖11 鋼架（含玻璃纖維預制板）堆碼工況

圖12 PVC泡沫堆碼工況

圖13 輕木堆碼工況

圖14 玻纖增強樹脂基內蒙皮堆碼工況

圖15 內壓工況最大位移

圖16 堆碼工況最大位移

包裝箱結構輕量化后，在內壓工況下應力水平均有小幅上升，但仍處于安全范圍；在堆碼工況下，各個部件應力水平無明顯變化，均處于安全范圍，但需控制復合材料的成型質量，避免因工藝離散性導致材料實際性能降低，進而引起結構破壞。

2.5 減量結果

包裝箱輕量化結構設計為取消箱體3條縱向圈梁，采用等厚玻璃纖維預制板代替。經(jīng)對比，包裝箱輕量化后理論質量減少64 kg，減少比例約5.4%，如表2所示。

表2 優(yōu)化前后質量結果對比

Tab.2 Comparison of weight results before and after optimization

3 結語

本文針對大型復合材料結構包裝箱，從鋼架結構減量角度設計實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，利用ABAQUS軟件，對包裝箱的內壓和堆碼工況進行數(shù)值仿真及輕量化分析，經(jīng)理論計算包裝箱整體復材蒙皮、鋼架及輕木層結構應力水均低于各材料的屈服強度；其中PVC泡沫層在箱體拐角區(qū)域存在應力凸點。由于此材料為鋼架結構夾芯填充物，不作為主要承力載體，故不影響包裝箱整體結構強度穩(wěn)定性。包裝箱結構優(yōu)化后，整體質量減少比例約為5.4%，實現(xiàn)了箱體輕量化效果。內壓工況：最大載荷應力為344 MPa，位于減量后支腳安裝位置的鋼架表面；減量后最大載荷變形量增大了0.21 mm，應變集中區(qū)位于箱體上表面中部。堆碼工況：最大載荷應力為337 MPa，位于減量后支腳安裝位置的鋼架表面；最大載荷變形量減小了1.11 mm，應變集中區(qū)位于箱體上表面中部。結合材料屬性得出材料均滿足使用要求。同時，結構理論證明，結構改進安全可靠，包裝箱各結構剩余強度系數(shù)均不小于1.5，滿足強度要求。分析結果可作為國內類似復合材料鋼架夾芯結構包裝箱研究提供數(shù)據(jù)支撐。

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Lightweight Design and Simulation Technology of Composite Packing Box Structure

LI Nan1, LIU Lei-bo1, GONG Wen-hua1,KONG De-li2

(1. Research Institute of Aerospace Special Materials and Processing Technology, Beijing 100074, China; 2. The Sixth Representative Office in Beijing of Rocket Force, Beijing 100074, China)

The work aims to carry out lightweight design to the composite structural packing box so that the structural strength of the box can meet the requirements of internal pressure and stacking conditions. The local non-main load-bearing positions were improved and ABAQUS software was used to conduct numerical simulation analysis on the internal pressure and stacking conditions of the packing box, and the factor of safety for load conditions was 1.5. The theoretical weight reduction of the packing box was 64 kg, and the percentage of weight loss was about 5.4%. Maximum load stress was 344 MPa and deformation was 4.69 mm, meeting the requirements of use. Since the lightweight design of the packing box structure is completed, the stress level of each structure increases slightly under the internal pressure condition, while the stress level of each structure does not change significantly under the stacking condition. In conclusion, the stress level of each structure is within the safe range and will not lead to structural damage. The optimized product has achieved a lightweight effect, and it is proven that the structural improvement is safe and reliable. It can provide data support for the improvement of lightweight structure of similar composite packing boxes in China.

composite; packing box; lightweight; ABAQUS

TB482.2

A

1001-3563(2023)23-0307-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.037

2023-06-01

責任編輯：曾鈺嬋