基于ANSYS的圆筒阀刚强度及屈曲分析与研究

黄红珍

[摘 要]集装箱在进行样箱试验时，箱体的局部位置出现起皱和波浪等失稳现象，影响集装箱外观和使用性能，因此有必要在新箱型设计时进行箱体稳定性分析。本文利用有限元软件ANSYS对集装箱进行屈曲分析，从而判断其结构的稳定性并进行优化设计。

[关键词]集装箱、样箱试验、失稳、屈曲分析

中图分类号：TV663.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0399-02

一、前言

随着世界经济的增长，集装箱行业得到快速发展，为满足不同客户、不同使用环境和使用工况的要求，必须开发出新的产品。集装箱设计人员在进行新型集装箱设计时，往往依靠经验数据，生产制造出一台样箱，再通过样箱试验来验证集装箱结构的强度、刚度和稳定性。如果在试验时，箱体侧板、底侧梁、角柱等主要受力构件出现弯扭、褶皱、翘曲等失稳现象，则试验不能通过，客户也不会接受。这就需要将发生失稳的构件拆除、返工、重新制作，甚至整个箱体结构重新设计，所费时间、人力、物力等成本费用太大，因而研究新型集装箱的稳定性尤其重要。

ANSYS软件是集结构静力学分析、结构动力学分析、屈曲分析、电磁场分析、流体力学分析、声场分析于一体的大型通用有限元软件，利用其屈曲分析模块可以对集装箱稳定性进行分析。

二、集装箱试验要求

集装箱作为现代物流装备，适用于国际、国内交换中的铁路、公路、水路运输以及这些运输方式之间的联运，这就要求集装箱的强度必须达到ISO 1496系列1集装箱技术要求和试验方法规定。按此规定新型集装箱需进行下面刚性试验：（1）堆码试验；（2）从顶角件起吊试验；（3）从底角件起吊试验；（4）纵向栓固试验；（5）端壁强度试验；（6）侧壁强度试验；（7）顶部试验；（8）底部强度试验；（9）横向刚性试验；（10）纵向刚性试验；试验后由船级社根据试验数据，按照标准规定和要求，审批是否通过。

三、失稳的概念及屈曲分析的理论

当结构所受载荷达到某一值时，若增加一微小的增量，则结构的平衡位形将发生很大的改变，这种现象叫做结构失稳或结构屈曲，相应的荷载称为屈曲载荷或临界载荷。失稳是在载荷没有实质变化的情况下，结构的变形迅速增大，它是瞬间发生的，后果非常严重，因而新型集装箱的设计除了需保证足够的强度和刚度外，还需保证其具有必要的稳定性。

ANSYS屈曲分析模块提供两种分析方法：线性特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。

1）线性特征值屈曲分析通过提取使线性系统刚度矩阵奇异的特征值获得结构的临界失稳载荷及失稳模态，它是以小位移小应变的线弹性理论为基础的。2）非线性屈曲分析是将线性屈曲特征值求解与增量非线性求解相结合。非线性屈曲分析的基本方法是，在结构上逐步地施加一个恒定的载荷增量，直到解开始发散为止即载荷达到预期的临界屈曲载荷。

线性特征值屈曲分析不考虑各种非线性因素和初始缺陷对屈曲失稳载荷的影响，计算速度快；非线性屈曲分析则考虑了以往加载过程中各种诸如塑性行为、接触、大变形响应等非线性因素和初始缺陷，因此非线性屈曲分析可得到更精确的屈曲载荷，但计算所需时间太长。

研究集装箱的稳定性就是为了得到集装箱在各种试验工况下，结构开始变得不稳定时的临界载荷及失稳形状，因而只需按线性特征值屈曲分析所得结果，给出一个安全系数，便可以通过样箱试验。

四、集装箱稳定性分析实例

集装箱箱型结构及试验工况很多，下面以某箱厂生产制作的一种台架箱的堆码试验工况进行稳定性分析。

台架箱外型尺寸：20×8 ×86”

箱体总重： R=30，480 kg； 箱体自重： T=2，100kg； 箱体载重： P=28，380kg

角柱堆码值：54，860kg

根据ISO1496-5系列1平台式和台架式集装箱的技术要求和试验方法可知，集装箱做堆码试验时，是将集装箱四个底角件放在同一水平垫块上，在箱体底架均匀分布1.8R-T砝码，同时在箱体四个顶角件上进行堆码加载。实际上箱厂在做此试验时，通常先将箱体底架上的砝码装载好，再对顶角件进行加载，因此，首先计算和验证的是箱体底架结构的稳定性，即仅底架加载，角柱上堆码暂不加载。

根据上面描述对集装箱进行线性特征值屈曲分析，步骤如下：

1）有限元模型建立

此集装箱材料为SPA-H，钢材的弹性模量：2.06×105MPa；泊松比：0.3；

箱体由板件拼焊而成，模型单元选用SHELL181板壳单元；

2）边界条件及加载

边界条件：固定箱体四个底角件；

加载：在箱体底架加载1.8R-T=52，764kg力，

3）进行屈曲分析

设置模态提取数：1

4）读取计算结果

通过拾取菜单Main Menu→General Postproc→Results Summary可以查看分析计算结果，如图1所示：

从上图数据可以看到，临界载荷系数TIME/FREQ值为0.60233。

根据公式：临界载荷=临界载荷系数×所加荷载，可以计算出台架箱底架结构出现失稳现象的载荷=0.60233×52，764kg=31，781kg。

通过拾取菜单Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu→DOF Solution→Displacement vector sum，查看失稳出现的部位，如图2所示。

从上图可知台架箱加载到31，487kg临界载荷时，底侧梁上翼边首先发生失稳。

该箱底侧梁采用的是折弯型C形件，尺寸为：600x100x100x4.5，即C形梁高600mm，上、下翼边宽100mm，板厚4.5mm，属于开口薄壁件。下图是箱厂样箱试验的照片（见图3），从照片中可以清楚地看到，底架砝码载荷装到33T时，底侧梁的上翼边呈现波浪形状，这与分析计算的结果十分吻合。

5）優化设计

利用ANSYS有限元技术，对台架箱底侧梁进行优化，分别从底侧梁板厚、底侧梁结构进行，具体方案如图4。

按照上述方案进行屈曲分析，计算结果见表1，（为了方便比较，将原结构的数据也写入）。

集装箱堆码试验是验证满载的集装箱在海洋船舶运输条件下，在箱垛中出现偏码时的承载能力。ISO1496标准中试验载荷1.8g的竖向加速度，已经考虑到集装箱在海洋上遇到的最恶劣的条件下船舶的横摇、纵倾、升沉等极限情况，所以在进行屈曲分析时，临界载荷安全系数达到1.1～1.2就可以满足集装箱试验和使用的要求。

考虑到制作成本，台架箱底侧梁按结构2的方案，在底架加载的同时，再在四个顶角件上增加堆码载荷，计算出临界载荷安全系数为1.1083，可以判断台架箱在堆码试验工况下整体结构的稳定性达到要求。

五、总结

1）对于新型集装箱的设计，线性特征值屈曲分析具有较高的精度；2）瘦高的开口薄壁件在受压的工况下，容易发生失稳现象；3）增加板厚可以提高结构的临界载荷，但成本提高很多；4）合理的设计，是提高结构稳定性的必要条件。

参考文献

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