（固体力学专业论文）折叠式集装箱设计分析与试验.pdf

摘要 论文题目：折叠式集装箱设计分析与试验 专业：固体力学 硕士生：黄牛 指导教师：陈树辉教授 摘要 本文研究折叠式集装箱的有限元建模、计算和试验，并通过分析计算结果和试验结 果，提出了改善折叠式集装箱结构的方案。具体包括以下几个方面的内容： 1 采用a n s y s 大型计算软件，建立折叠式集装箱的有限元计算模型； 2 选取折叠式集装箱具有代表性的7 种工况进行有限元分析； 3 选取与有限元分析相l 司的7 种工况，对折叠式集装箱按照试验标准进行试验； 4 通过比较有限元分析计算结果和试验结果，指出现有折叠式集装箱结构的不足 之处，提出了改进方案，并对改进方案进行了计算验证； 5 给出研究结论和展望。 使用上述有限元分析方法可对集装箱结构进行设计分析验证，从而缩短产品开发周 期，提高集装箱试验通过率，大幅降低研发成本。 关键词：a n s y s ，折叠式集装箱，有限元建模和分析，试验 t i t l e ：d e s i g na n a l y s i sa n dt e s t i n go f f l a t r a c kc o n t a i n e r s m a j o r ：s o l i dm e c h a n i c s n a m e ：h u a n gn i u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e ns h u h u i a b s tr a o t t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，f i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o na n dt h et e s t o ft h ef l a t r a c k c o n t a i n e r sa l es t u d i e di nt h i st h e s i s b ya n a l y z i n gb o t hr e s u l t so fc o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t ， s o m ei m p r o v e ds t r u c t u r e so ff l a t r a c kc o n t a i n e r sa r ed e s i g n e d t h ed e t a i l e dc o n t e n t sa r es h o w n a sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so ff l a t r a c kc o n t a i n e ra r ee s t a b l i s h e db yu s i n ga n s y s s o f t w a r e s e c o n d l y , t h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n s l o a d i n gc o n d i t i o n so ft h ef l a t r a c kc o n t a i n e r s a r ef i n i s h e dc o r r e s p o n d i n gt o7r e p r e s e n t a t i v e t h i r d l y t h ef l a t r a c kc o n t a i n e rt e s t su n d e rt h es a m el o a d i n gc o n d i t i o n so ft h e f i n i t e e l e m e n tc o m p u t a t i o n sa l ed o n ea c c o r d i n gt ot h es t a n d e rt e s tc r i t e r i a f o u r t h l y , b ya n a l y z i n gb o t hr e s u l t so fc o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h e d r a w b a c k so f f l a t r a c kc o n t a i n e rs t r u c t u r ea r ep o i n t e d ，a n ds o m ei m p r o v e ds t r u c t u r e so ff l a t r a c kc o n t a i n e r s a led e s i g n e d f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na n d t h ef u r t h e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o na l ep o i n t e d i ts h o w st h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sv e r ye f f e c t i v ef o rc a l c u l a t i o nv e r i f i c a t i o no f t h e s t r u c t u r eo fc o n t a i n e r s ，a n di sv e r yi m p o r t a n ta n d a v a i l a b l ef o r s h o r t e n i n gp r o d u c t d e v e l o p m e n tp e r i o d i tc a na l s ob eu s e dt oi n c r e a s et h ep a s s i n gr a t eo fc o n t a i n e rt e s t ，a n d d r a m a t i c a l l yr e d u c et h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t c o s t k e y w o r d s ：a n s y s ；f l a t r a c kc o n t a i n e r ；f i n i t e e l e m e n tm o d e la n d a n a l y s i s ； c o n t a i n e rt e s t - 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：爹冲 日期秘年，月洳日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法篡萎蓑纛：童才导师虢峥一 学位论文作者签名：镬冲导师签名：广滞型 一 e t 期：灿7 年，月d - o e l e t 期：彬1 年、，月伽e l 、 第一章引言 第一章引言 1 1 集装箱简介 ( 1 ) 集装箱及集装箱运输 集装箱作为一种便于商品运送而专门设计的，在一种或多种运输方式中运输时无需 中途换装的运输设备，要求具有一定的耐久性和坚固强度，足以反复使用，并设置便于 装卸和搬运的装置，便于不同运输方式之间的转移和货物装卸。 随着世界贸易的活跃，集装箱业务也在快速发展。传统的散件杂货运输长期以来存 在着装卸及运输效率低、时间长，货损、货差严重，影响货运质量，且货运手续繁杂， 影响工作效率，因此对货主、船公司及港口的经济效益产生极为不利的负面影响，而集 装箱运输由于具有高效益、高效率、高协作、适合多式联运等特点，获得快速发展。主 要体现在以下方面【l 叫： 高效益的运输方式 简化包装，大量节约包装费用。为避免货物在运输途中受到损坏，必须有坚固的包 装，而集装箱具有坚固、密封的特点，其本身就是一种极好的包装。使用集装箱可以简 化包装，有的甚至无须包装，实现件杂货无包装运输，可大大节约包装费用。 减少货损货差，提高货运质量。由于集装箱是一个坚固密封的箱体，集装箱本身就 是一个坚固的包装。货物装箱并铅封后，途中无须拆箱倒载，一票到底，即使经过长途 运输或多次换装，不易损坏箱内货物。集装箱运输可减少被盗、潮湿、污损等引起的货 损和货差，深受货主和船公司的欢迎，并且由于货损货差率的降低，减少了社会财富的 浪费，也具有很大的社会效益。 减少营运费用，降低运输成本。集装箱的装卸基本上不受恶劣气候的影响，船舶非 生产性停泊时问缩短，并且装卸效率高，装卸时间缩短，对船公司而言，这些可大幅度 提高航行率，降低船舶运输成本，对港口而言，可以提高泊位通过能力，从而提高吞吐 量，增加收入。 高效率的运输方式 传统的运输方式具有装卸环节多、劳动强度大、装卸效率低、船舶周转慢等缺点。 而集装箱运输完全改变了这种状况。首先，普通货船装卸，一般每小时为3 5 t 左右，而 集装箱装卸，每小时可达4 0 0 t 左右，装卸效率大幅度提高。同时，由于集装箱装卸机械 化程度很高，因而每班组所需装卸工人数很少，平均每个工人的劳动生产率大大提高。 中山大学硕上学位论文 此外，由于集装箱装卸效率很高，受气候影响小，船舶在港停留时间大大缩短，因而船 舶航次时间缩短，船舶周转加快，航行率大大提高，船舶生产效率随之提高，从而，提 高了船舶运输能力，在不增加船舶艘数的情况，可完成更多的运量，增加船公司收入， 高效率必然导致高效益。 高协作的运输方式 集装箱运输涉及面广、环节多、影响大，是一个复杂的运输系统工程。集装箱运输 系统包括海运、陆运、空运、港口、货运站以及与集装箱运输有关的海关、商检、船舶 代理公司、货运代理公司等单位和部门。如果互相配合不当，就会影响整个运输系统功 能的发挥，如果某一环节失误，必将影响全局，甚至导致运输生产停顿和中断。因此， 要求搞好整个运输系统各环节、各部门之间的高度协作，只有这样，才能保证集装箱运 输系统高效率地运转。 适于组织多式联运 由于集装箱运输在不同运输方式之间换装时，勿需搬运箱内货物而只需换装集装 箱，这就提高了换装作业效率，适于不同运输方式之间的联合运输。在换装转运时，海 关及有关监管单位只需加封或验封转关放行，从而提高了运输效率。此外，由丁国际 集装箱运输与多式联运是一个资金密集、技术密集及管理要求很高的行业，是一个复杂 的运输系统工程，这就要求管理人员、技术人员、业务人员等具有较高的素质，才能胜 任工作，才能充分发挥国际集装箱运输的优越性。 ( 2 ) 集装箱的类别 随着集装箱运输的发展，为适应装载不同种类货物的需要，因而出现了不同种类的 集装箱。这些集装箱不仅外观不同，而且结构、强度、尺寸等也不相同。根据集装箱的 用途不同而分以下几种【6 j ： 干货集装箱：也称杂货集装箱，这是一种通用集装箱，用以装载除液体货、需要调 节温度货物及特种货物以外的一般件杂货。这种集装箱使用范围极广，常用的有2 0 f t 和4 0 f t 两种，其结构特点是常为封闭式，一般在一端或侧面设有箱门。 开顶集装箱：也称敝项集装箱，分为硬开项和软开项两种。硬开顶带有可拆卸的刚 性箱顶，箱顶大多设有可供吊车或叉车起吊的吊环或扣环，而软开项箱的顶为可方便收 起的帆布、塑料布或涂塑布制成的顶篷，其下由可拆卸的顶弓支撑。两种开顶箱其它构 件与干货集装箱类似。开项箱适于从顶部装载较高的大型货物和需吊装的重货。 台架式及平台式集装箱：台架式集装箱是没有箱顶和侧壁，甚至有的连端壁也去掉 而只有底架和四个角柱的集装箱。台架式集装箱有很多类型，它们的主要特点是：为了 满足大载重要求，底架高度较一般干货箱高很多，其强度比普通集装箱大。底架的两侧 和两端设有很多绑缚点，如插桩槽、拉环等，无水密性要求，怕水湿的货物需要额外包 第。章引言 装才能装运，适合装载形状不一的货物。台架式集装箱又可再分为：无侧壁、无端壁的 平台箱，有固定端壁的台架箱，有固定端框或端角柱的框架箱，带可折叠角柱或完整端 结构的折叠式集装箱等。这几类集装箱装卸作业方便，适于装载长、重大件。本文重点 研究的是折叠式集装箱。 通风集装箱：通风集装箱一般在侧壁或端壁上设有通风孔，适于装载不需要冷冻而 需通风、防止潮湿的货物，如水果、蔬菜等。如将通风孔关闭，可作为杂货集装箱使用。 冷藏集装箱：这是专为运输要求保持一定温度的冷冻货或低温货而设计的集装箱。 它分为带有冷冻机的内藏式机械冷藏集装箱和没有冷冻机的外置式机械冷藏集装箱。适 用装载肉类、水果等货物。冷藏集装箱造价较高，营运费用较高，使用中应注意冷冻装 置的技术状态及箱内货物所需的温度。 散货集装箱：散货集装箱除了有箱门外，在箱项部还设有一个或一个以上的人孔作 为装货口，适用于装载粉状或粒状货物。使用时要注意保持箱内清洁干净，两侧保持光 滑，便于货物从箱门卸货，两端通常设有方便开启的小门。 动物集装箱：这是一种专供装运牲畜的集装箱，也称牲畜集装箱。为了实现良好的 通风，箱壁用金属丝网或栅栏制造，底架可设置清扫口和排水口，并设有喂食装置。 罐式集装箱：这是一种专供装运液体货而设置的集装箱，如酒类、油类及液状化工 品等货物。它由罐体和箱体框架两部分组成，装货时货物由罐体顶部人孔装入，卸货时， 则由排货管道流出或从罐体顶部人孔吸出。 汽车集装箱：也称小车运输集装箱，是专为装运小型轿车而设计制造的集装箱，可 装载一层或两层小轿车。 随着集装箱运输的普及以及特种货物运输的需要，特种用途的集装箱越来越多，例 如环保用的垃圾箱，鲜活产品运输集装箱，居住用途的房屋箱等【7 】。 1 2 折叠式集装箱 除台架式及平台式集装箱外，其他类集装箱多为满足不同货物运输需要而设计的不 同箱型，大部分结构与干货集装箱类似，整箱的设计总重、载重和干货箱几乎一样，由 于基本沿用非常成熟的干货箱结构，因而结构承载上大多满足要求。而对于台架式及平 台式集装箱，因其适于装载长、重大件，如工程机械、原木等 8 - 1 0 】，载重大且集中，箱 体受力较为复杂，这当中属折叠式集装箱更为突出，因其带有可折叠式角柱或端结构， 运输货物时，端部竖起，有利于货物绑缚和阻隔，且可同干货集装箱一样在船上或其他 运输方式中进行满载堆叠，空箱时，端部折叠后，几个箱可连为一体，大大降低空箱返 运成本【1 1 。1 2 】，设计总重一般远大于i s o 规定的3 0 4 8 0 k g ，可达到5 0 t 以上，由于折叠 箱具有这么多优点，近些年市场需求持续增加，即使在当前国际经济危机下，干货集装 箱市场需求几乎一夜蒸发，但折叠式集装箱订单还是维持较为稳定的市场需求，不仅如 中山大学硕士学位论文 此，因折叠功能的使用使得空箱返运成本大幅降低，当前还在进一步研究干货集装箱折 叠的可能性陋1 4 1 。 ( 1 ) 折叠式集装箱及其结构 如图1 - i 所示，折叠箱是一种端结构可折叠的集装箱，设计上必须服从相关标准【1 ”。 它由一平台底架以及基本直立于该平台底架的端墙组成( 即：端结构) ，端墙的底部通 过两铰链与平台底架连接。在回程运输或储存时，可将端墙折叠在平台底架上作为平台 箱使用。多个折叠后的集装箱可相互叠放并通过锁具连接在一起，因而具有节省储存空 间以及高效运输等优点。 罔卜1 折叠式集装箱 折叠式集装箱因装载货物不同，咀及箱东的不同要求，目前有不同的产品型号，但 主体结构有以下几个部分： 端结构：可以仪为角柱，也可为端框，可为带平板或波板的端墙；其中角柱多为工 宁钢角柱，上下横粱为c 型横粱或方管，墙板为平板压筋或波板； 底架：两侧底侧梁多为工字钢结构，横向由c 型横梁或l 型横粱相互连接形成底架 平台；其中底侧粱成型后带有向上一定的弧形拱度，制作此拱度包含对底倒梁向上和向 下的反变形，利用反变形可消除底架组焊后的焊接残余应力，也提高了底架的刚度。底 第一章引言 侧梁多为焊接工字钢，早期也曾使用热轧工字钢，因不便于弧形起拱，现很少使用。底 架结构上需考虑端结构折叠后能当平台箱使用，所以底侧梁上一般设有一个或多个容纳 端结构的缺口。此缺口大大降低了底架的刚度和强度，且容易造成应力集中； 地板：主要分为木地板和钢地板两种形式； 铰链：包括固定在折叠式集装箱底架上的外铰链、与端墙或角柱固定一起的内铰链、 将内铰链和外铰链枢设在一起的转轴。内铰链在一折叠工位和一张开工位之间来回转 换，锁定销将内铰链定位于张开工位； 角件：分底角件和顶角件，分布于箱体的八个角，供栓固和装卸使用，底角件与外 铰链、底架连接，顶角件与端结构的角柱连接。 ( 2 ) 折叠式集装箱技术参数和箱体材料参数 表卜l2 0 f t 折叠式集装箱外形尺寸参数【1 5 1 n u nf t i n s m m f t i n s 1 9 9 长度( 底角件外侧之距)6 0 5 82 0 长度( 端墙板之距) 6 ，0 3 8 2 3 3 2 1 8 5 宽度( 底角件外侧之距)2 ，4 3 8 8 长度( 角柱之距) 5 , 6 3 8 3 1 3 2 ” 箱 高度( 端墙竖直状态) 2 ，5 9 1 8 6 箱宽度( 底侧梁外侧之 7 2 外 内 距) 2 ，2 0 8 1 5 1 6 l 27 3 高度( 端墙折叠状态)3 7 0宽度( 角柱之距) 2 ，2 1 2 9 1 6 3 3 2 堆垛高度( 7 个堆垛 内高( 底侧梁到顶角7 3 2 ，5 9 1 8 6 2 ，2 3 3 为一个高箱高度) 件) 1 5 1 6 ” 表1 - 2 折叠式集装箱设计额重 k g l b s 最大总重 3 4 ，0 0 07 4 ，9 5 0 自重2 ，7 4 06 ，0 4 0 最人载重 3 1 ，2 6 06 8 ，9 1 0 表卜3 箱体材料力学性能检验数据【1 6 】 屈服强度抗拉强度延伸率 试样编号 弹性模量( g p a ) 泊松比 m p am p a a z j 7 0 0 w7 2 07 9 5 | 2 0 2 8 5 0 3 z j 5 5 0 w 6 5 0 7 1 5 2 2 52 1 5 0 2o 3 s p a h ( c r o t e na ) 3 9 55 1 03 91 9 5 1 7o 3 s s 41 ( s s 4 0 0 )3 2 54 7 0|1 8 9 7 80 3 s m 5 0 a ( s m 4 9 0 q 3 4 5 b ) 3 4 05 2 53 5 52 1 1 0 4o 3 中山大学硕士学位论文 1 3 对折叠式集装箱进行有限元分析的意义 ( 1 ) 现状和问题 折叠式集装箱结构一卜需满足超大载重运输功能、最大限度节省材料且制作工艺简 便，产品除外观尺寸外，结构承载必须达到集装箱试验检验标准要求。因行业竞争，箱 东期望订购的产品载重越大越好，同时要求自重越轻越好。这些产品设计提出了很高的 要求，一方面箱体结构本身比较复杂、多变，仅凭对整箱的单个简单的零件或局部结构 件进行力学分析是远不够的；另一方面，对设计人员要求高，需要一定的行业设计经验。 当前行业内没有便捷适用的结构强度计算校核工具，整体结构设计多采用类比方法，很 难对整箱进行受力分析。现有的问题是整箱的协调性较差，对问题往往采取局部加强的 方法，这使得箱体自重越加越大；而对某些应该减少或减薄的构件，或者改变结构形式 的议案，因无明确的依据，生产中多不敢决定，导致箱体自重加大，而新的结构形式也 不容易产生，对设计创新也构成了很大的障碍。 未通 未通过 图1 - 2 现有特种集装箱设计流程 如图l 一2 所示，从现有特种集装箱( 不同于定型成熟的标准化集装箱，如：干货集 装箱) 设计流程中可以推断，对于这类特种集装箱，集装箱制造行业存在很大的风险， 新产品研发成本和周期也很难控制。因为特种集装箱产品，总图设计完成后，并没有对 第一章引言 其进行严格的力学分析验证，客户也仅能从是否满足功能需要方面考察，一旦认可而进 行样箱制作，往往会导致样箱试验不能全部通过，结构需要进行大的变动，而补救的方 法有两种，一种进行局部补强，材料成本增加，另一种对结构大改，又要重新制作样箱 验证，两种都导致样箱成本上升，研发周期延长，给公司造成很多实际问题。即使样箱 一次性通过，也存在箱体结构不合理导致材料成本增加、制造工艺麻烦等问题。 折叠式集装箱作为大载重箱体，具有特殊的作业环境，要求良好的力学性能，包括 刚度、应力水平、变形等，整箱分析的对象包括若干受力结构件和机构，试验工况也有 很多种，相当复杂。而在此行业，箱东订购一批产品往往给设计人员预留的研发周期非 常短，所以设计期间必须尽快的预测整体结构在不同工况下的结构应力水平与变形，以 便完善与优化总体设计。因此，如何提高一次性成功率? 如何有效地降低研发成本，包 括材料成本，这些都是迫切需要解决的问题。 ( 2 ) 虚拟仿真技术的应用 产品随着社会的发展日益复杂，支持复杂产品设计的计算机辅助设计、计算机辅助 工程、计算机辅助优化等工具已经在各行各业得到广泛的重视和应用，且取得了明显的 效果 1 7 - 2 0 】。为了更深入的应用设计、仿真和优化工具，很多科研单位更是在将独立的支 持复杂产品的“设计、仿真、优化 三者从各侧重点加以协同集成，从而形成各种并行 和分布式研发平刽z ，旨在提高复杂产品的自主研发能力、加快研发速度、提高设计质 量。仿真和优化工具都是应用有限元分析，在产品开发初期，对产品结构进行计算仿真， 观察变形量、应力分布、固有振型，以便在设计投入生产之前对其强度、刚度、固有振 型等特性有充分的认识，对不足之处及时改进，从而缩短研发周期，节省大量的试验和 生产费用。作为全球唯一通过i s o 认证的仿真分析软件a n s y s ，在桥梁、屋架、起重 机、汽车、压力容器、船体、飞机等【2 2 。3 0 】产品领域普遍使用，有不少使用有限元分析集 装箱的吊装设备【3 1 3 7 1 ，甚至对大型集装箱船做整船分析【3 “3 1 ，但针对集装箱的有限元分 析，还处在刚刚起步的阶段【4 4 4 9 1 。 本文通过在研发流程中引入仿真模拟环节，来优化现有结构，提高试验的一次成功 率，降低研发成本。针对折叠式集装箱，给出了模拟现有折叠式集装箱有代表性的7 种 试验工况的有限元分析方法，通过分析计算结果，指出现在设计的不足，并提出改进方 案，加以计算验证。 ( 3 ) 改进的研发流程 图1 3 为改进的特种集装箱研发流程。流程明确，在提交客户确认之前，引入结构 有限元分析这一环节，使得在方案设计至总图设计期间，可以通过有限元分析软件，如 a n s y s ，对需要论证的局部零件、构件，或者整体结构进行有限元分析验证，及时发现 问题，改善结构。因此在提交客户确认之前，设计人员对所设计的产品的力学特征有比 7 中山大学硕上学位论文 较充分的认识，大大提高了产品试验的一次性通过率，甚至在某些情况下，可以不制作 样箱而直接批量制造，从而缩短研发周期，降低研发成本。 未通 未通过 图1 - 3 改进的特种集装箱研发流程 1 4 本文的研究工作 折叠式集装箱箱体外形尺寸、试验结果需要达到i s o 相关标准和船级社所规定集装 箱试验检验标准 5 0 4 3 】要求，本文特选取了有代表性的2 0 f t 折叠式集装箱，利用a n s y s 模拟所关心的零件、组件以及整箱在各试验工况下的力学行为。 目前，国内外关于如何使用a n s y s 软件进行有限元分析的著作很多，但具体到如 何利用a n s y s 软件对集装箱结构进行分析的论文却很少【5 7 1 ，还没发现对折叠式集装 箱这类大载重箱体进行有限元分析的著作。牟杰琼、朱兴元【5 8 l 在集装箱变形的有限元 分析著作中建立的干货集装箱模型过于简化，只能用于近似分析，要获得针对具体的 试验工况分析结果需建立与实际结构匹配的计算模型，而且为了节约计算成本，提高计 算速度，尽可能不采用三维实体模型。 本文选取具有代表性的2 0 f l 折叠式集装箱，利用a n s y s 建立了的计算模型，对堆 码、横向刚性( 拉) 、纵向刚性( 拉) 、纵向栓固试验( 推) 、集中载荷、吊顶和吊底共 第一章引言 计7 种试验工况进行模拟分析，获得有限元计算结果，同时，通过对样箱按照试验检验 标准进行严格试验来获取样箱试验结果，对比每种试验工况的有限元计算结果和试验结 果，来观察两者是否一致。通过分析每种试验工况的有限元计算结果和试验结果，充分 认识所关心的零件、组件以及整箱在各试验工况下的力学行为，指出了结构存在的不足， 提出了改进方案，并对改进方案进行验证。 本文主要包括以下几个方面的研究内容： 1 ) 建立折叠式集装箱的有限元计算模型； 2 ) 选取折叠式集装箱的7 种试验工况进行有限元分析； 3 ) 对折叠式集装箱样箱按照试验检验标准进行试验，测量记录试验结果； 4 ) 针对每种试验工况的有限元分析结果和试验结果进行对比分析，指出现有结构 的不足： 5 ) 针对现有结构的不足提出改进设计方案，并对改进设计方案进行计算验证； 6 ) 对比有限元分析结果和试验结果，得出结论并给出了进一步研究的展望。 全文分为6 章。 第一章是引言。从产品用途、类别以及结构几个方面对集装箱进行介绍，重点介绍 折叠式集装箱的结构及相关设计参数，分析行业的设计现状和问题，指出对折叠式集装 箱进行有限元分析的意义，以及本文的主要研究内容。 第二章讲述如何利用a n s y s 对折叠式集装箱进行建模。简单介绍a n s y s 平台， 并选取代表性的2 0 f t 折叠式集装箱，从模型简化、单元选取、建立相同特性的构件集合、 实常数定义、材料数据定义以及网格划分等方面讲述如何建立有限元计算模型。 第三章是折叠式集装箱有限元计算。针对选取有代表性的折叠式集装箱7 种试验工 况分别进行约束加载和求解，并对分析结果进行说明。 第四章讲述的是折叠式集装箱试验分析。通过对折叠式集装箱样箱按照试验检验标 准进行试验，来测量记录试验结果，并与每种试验工况的有限元分析结果进行对比，指 出现有结构的不足。 第五章是针对现有结构的不足提出改进设计方案，并进行计算验证。 第六章通过对比有限元分析结果和试验结果，得出结论，并给出进一步研究的展望。 中山大学硕士学位论文 第二章折叠式集装箱a n s y s 有限元建模 2 1a n s y s 平台简介 a n s y s 是一个完整的f e a 软件包，被广泛用于结构分析、热分析、流体分析( 包 括c f d 计算流体动力学) 、电或静电场分析和电磁场分析，应用t 业领域涵盖航空航天、 汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统以及运动器械。 本文重点讨论a n s y s 结构分析在折叠式集装箱设计中的应用。a n s y s 结构分析 用于计算变形、应变、应力及反力，包括静态分析、瞬态动力分析、模态分析、谱分析、 谐响应分析以及显示动力学几个类型。 其中静力分析，用于静态荷载，可以考虑结构的线性及非线性行为，例如：大变形、 大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等。动力分析包括质量和阻尼效应：模态 分析，用于计算固有频率和振型；谐响应分析，用于确定结构对正弦变化的已知幅值和 频率载荷的响应：瞬态动力学分析，用于确定结构对随时间任意变化载荷的响应，可以 考虑与静力分析相同的结构非线性行为。另外还可以进行谱分析、随机振动、特征值屈 曲和建立分析了区模型。每次分析都包含以下三个主要步骤【5 町： 前处理：创建或输入几何模型，对几何模型划分网格 a n s y s 前处理器提供了对程序的主要输入，主要功能是生成有限元模型，主要包 括节点、单元和材料属性等的定义。在a n s y s 中，也可以使用前处理器p r e p 7 施加 载荷。通常先定义分析对象的几何模型，典型方法是用实体模型模拟几何模型。实体模 型是由体、面、线和关键点组成的，体由面围成，用来描述实体物体，而由线围成，用 来描述物体的表面或者块、壳等，线由关键点组成，用来描述物体的边，而关键点是三 维空间的位置，用来描述物体的顶点。既可以在有限元软件，如a n s y s 中创建实体模 型，也可以从其他软件包中输入实体模型。 创建有限元模型的过程中，首先要进行网格划分，确定节点和单元。网格划分之前 需要定义单元属性，指定网格控制，然后才生成网格。单元属性是网格划分前必须建立 的有限单元模型属性，包括单元类型、实常数和材料性质。单元类型是非常重要，决定 了单元的自由度( d o f ) 设置、单元形状维数以及假定的位移形函数。而实常数用于描 述那些由单元几何模型不能完全确定的几何形状，如梁单元的横截面属性，如面积和惯 性矩，壳单元的厚度等等。而实体单元是不需要实常数的，其单元几何模型已经由节点 完全定义。 1 0 第二章折叠式集装箱a n s y s 有限元建模 求解：施加载荷，求解 有限元中，载荷类型有位移( d o f 约束) 、压力和对流载荷( 表面载荷) 、重力( 惯 性载荷) 、“结构”温度( 体载荷) 以及集中载荷( 节点载荷) ，这些载荷和边界条件在 a n s y s 软件中，可以通过l j 处理器p r e p 7 或者求解阶段都可以加载。 至于求解，可以根据不同的分析问题选择不同的求解器，如a n s y s 中可用的求解 器可以分为三类，第一类是直接消老求解器，包括波前求解器和稀疏求解器；第二类是 迭代求解器，包括p c g ( 预制条件共轭梯度求解器) 、i c c g ( 不完全乔利斯基共轭梯度 求解器) 和j c g ( 雅可比共轭梯度求解器) ；第三类是并行求解器，包含a m g ( a l g e b r a i c m u l t i g r i d ) 和d d s ( 分布区域求解器) 。除并行求解器外，各求解器的特点见表2 1 。 表2 一la n s y s 求解器选择特点 求解器何时使用模型大小( d o f s )内存使用硬盘使用 但要求适应性好时( 非线性分析) 或当内存有 f r o n t a l 5 0 k 低高 限时 当要求适应性和求解速度时( 非线性分析) ： 5 p a r s e对线性分析当迭代求解器求解器难于收敛时 1 0 k - - 5 0 0 k 中等高 ( 尤其是对病态矩阵，诸如形状不好的单元) ( 对壳及梁模型更多) 当求解速度至关重要时( 大模型的线性分 p c g5 0 k - 1 0 0 0 k +高低 析，尤其是实体单元) 当多物理场应用求解速度至关重要时。当其 i c c g5 0 k 1 0 0 0 k + 高低 他迭代求解器收敛困难( 近乎不定矩阵) 当单物理场问题求解速度至关重要时( 热、电 j c g 5 0 k 1 0 0 0 k + 中等低 磁、声学及多物理场) 求解前先需要选取合适的求解器，再用静力线性分析，如相关应力没有超过弹性极 限则静力线性分析足够，否则需要进行静力非线性分析，以取得较为准确的结果。 根据上述对a n s y s 求解器应用特点的介绍，本文选择直接消去求解器，采用 a n s y s 默认的稀疏求解器，对折叠式集装箱各种试验工况进行求解。当然也可以选用 其他求解器，如p c g 求解器。直接消去求解器的求解步骤是先计算单元刚度矩阵，读 取第一个单元的自由度，再删除所有已知自由度或通过其它自由度可以表示的自由度， 然后把方程写入t r i 文件，保留的自由度构成波前。对所有单元重复前面的步骤，直到 所有的自由度都被消去，最后得到的仃i 就包含了一个三角化的矩阵。回代求解自由度， 然后使用单元矩阵计算单元解。由于自由度仍不能被排除，所以波前是对角化过程中保 留在求解器中的自由度数。它随着求解的进行增大或缩小，当最后自由度消去完成后， 波前数变为零。波前直接影响到计算的速度，值越大，速度越慢。求解这一环节需要对 结果输出加以控制，要求输出所有的单元节点的结果数据，一般保持系统默认设置即可。 中山大学硕士学位论文 后处理：结果评价，检查结果的正确性 后处理是指检查、提取分析结果，这是分析中的重要环节，分析的目的就是要明确 荷载结构的影响。在a n s y s 中，可通过通用后处理器( p o s t l ) 和时间历程处理器 ( p o s t 2 6 ) 检查分析结果。分析结果数据包括a n s y s 直接计算得出的节点解数据和通 过对基本数据进行换算而获取的派生数据，包括单元解数据。值得一提的是，通过 a n s y s 强大的后处理模块，可以方便的实现静态云图和过程动画，并根据用户的需要， 利用报告生成器将最终结果数据生成报告，极大地方便了用户，也可以根据特殊需要， 利用e x c e l 等对a n s y s 计算数据后处理【6 嘶。 结果的正确性仍需要用户进行分析判断，而a n s y s 中也提供了一些参考依据，例 如误差估计，它仅适用于线性静力结构分析和线性稳态热分析、实体单元( 2 d 和3 - d ) 和壳单元和全图形模式( 非p o w e r g r a p h i c s ) 。结构分析或应力分析中，通用后处理器 ( p o s t l ) 可以计算能量范数形式的百分率误差( s e p c ) 、单元应力偏差( s d s g ) 、单 元能量误差( s e i 汛) 和最大和最小应力范围( s m x b ，s m n b ) 。 2 2 有限元模型的建立 ( 1 ) 整箱模型的简化 建模之前，针对所选取的折叠式集装箱有代表性的7 种试验工况，包括堆码、横向 刚性( 拉) 、纵向刚性( 拉) 、固定试验( 推) 、集中载荷、吊顶和吊底试验，可以忽略 对试验结果影响很小的一些特征，并对箱体相关的局部结构的特征建模作相应改变，具 体如下： 插桩槽：用于横向阻挡货物，在这几种试验工况下作用小，予以忽略； 拉环：用于绑扎货物，在这几种试验工况下影响小，予以忽略； 扭锁：用于折叠式集装箱折叠后箱体之间连挂，在这几种试验工况下影响很小，予 以忽略； 滑锤：用于锤击轴销用之锁紧端墙和底架，锁紧后滑锤不起作用，予以忽略； 焊接：除端墙板外侧连续焊而内侧间断焊外，其余构件都是连续焊，厚板部分大部 分采用坡口焊，焊接渗透较好，所以a n s y s 建模中对折叠式集装箱箱体母材之间进行 刚性连接； 底侧梁拱度：因折叠式集装箱箱体为开式结构，底侧梁跨度大，不同于封闭的六面 体干货集装箱。两侧底侧梁多为工字钢结构，底侧梁工字钢成犁后带有向上一定的弧形 拱度，实际中，4 0 f i 折叠式集装箱拱度5 5 m m 左右，2 0 f l 折叠式集装箱拱度2 5 m m 左右， 制作此拱度包含对底侧梁向上和向下的反变形，利用反变形可消除底架组焊后的焊接残 余应力，也提高了底架的刚度，从而进一步避免满载集装箱堆码时因底侧梁的下挠而压 坏其它种类的集装箱箱顶结构。同时，这一弧形拱度可以加大折叠式集装箱承载后的底 第二章折叠式集装箱a n s y s 有限元建模 侧梁变形安全范围，试验时更容易达到i s o 以及船级社的试验检验标准要求。考虑到 2 0 f f 折叠式集装箱2 5 r a m 左右的弧形拱度很小，而箱体长度6 0 5 8 m m 很大，因拱度引起 的弧形不明显，近似水平，所以按照水平结构进行建模。 ( 2 ) 单元的选取 目前类似结构的有限元分析文章【6 2 l 中，很多采用三维实体单元进行模拟分析，这样 可使有限元模型与实际产品非常接近，这种分析平台在a n s y sw o r k b e n c h 中体现 得明显【6 蛐5 1 ，不仅本身带有有限元建模功能，而且能从绝大多数c a d 软件中导入的设 计模型，对一般工程分析非常方便，但模型细节非常多，求解计算时间会很长，导致求 解成本增加，给后续模型处理和计算也带来很多问题，模型单元节点的计算结果提取还 需导入a n s y s 经典中进行w 6 - 6 。 。 本文对壳单元选择s h e l l 6 3 单元，实体单元选择s o l i d 4 5 。因为折叠式集装箱箱 体零件大部分为钣金件，除了销轴和轴套选择实体单元外，其余都采用壳单元进行模拟。 结构上如存在较厚的壳，或者单元划分质量不是很好，可以尝试使用s h e l l 9 3 或者 s h e l l l 8 1 等壳单元，区别在于，s h e l l 6 3 是薄壳单元，包含弯曲和薄膜效应，但是忽 略横向剪切变形，而s h e l l 4 3 、s h e l l l 4 3 、s h e l l l 8 1 、s h e l l 9 1 、s h e l l 9 3 和s h e l l 9 9 都属于厚壳单元，不仅有弯曲、薄膜效应，也包含了横向剪切效应。横向剪切被表示为 整个厚度上的常剪切应变，这种一阶近似只适用于中等厚度壳体，线形分析时，如果不 包含横向剪切应变，使用s h e l l 6 3 单元，求解速度也会较快；如果横向剪切变形重要， 均匀材料使用s h e l l 4 3 、s h e l l 9 3 或s h e l l l 4 3 单元，复合材料使用s h e l l 9 1 、 s h e l l 9 9 或s h e l l l 8 1 单元。实体单元形状不好时可使用s o l i d 9 5 等带中间节点的单 元，但单元数量多时求解速度变慢。图2 1 、表2 2 分别是s h e l l 6 3 单元模型和单元特 性，图2 2 、表2 3 分别是s o l i d 4 5 单元模型和单元特性【6 8 】： 砷 x l l j2e l 眦e mx - a 出拉e s 聘i sn 眦蚴p p 虹e d x - 殴e m 眦知越s 拉鹳y si 曩m q a p l i e d 图2 - 1s h e l l 6 3 单元 - 1 3 中山大学硕士学位论文 农2 - 2s h e l l 6 3 单元特性 e l e m e n tn a m es h e l l 6 3 n o d e s i ，j ，kl d e g r e e so ff r e e d o mu x ，u yu z ，r o t x ，r o t y , r o t z t k ( i ) ，t k ( j ) ，t k ( k ) ，t k ( l ) ，e f s ，t h e t a ，r m i ，c t o p , c b o t , ( b l a n k ) ， r e a lc o n s t a n t s a d m s u a m a t e r i a lp r o p e r t i e s e x ，e y e z ，a l p x ，a l p y a l p zd e n s ，g x y d a m p s p e c i a lf e a t u r e s s t r e s ss t i f f e n i n g ，l a r g ed e f l e c t i o n ，b i r t ha n dd e a t h f a c e1 ( 1 - j - k l ) ( b o t t o m ，i n + zd i r e c t i o n ) ，f a c e2 ( i jkl ) ( t o p ，i n - zd i r e c t i o n ) ， s u r f a c el o a d s f a c e3 ( j i ) ，f a c e4 ( k j ) ，f a c e5 ( l - k ) ，f a c e6 ( i l ) 表2 - 3s o l i d 4 5 单元特性 耋- j t e t r a h e d l m io 绷o n 乳躐f 挚c q r n 霉t 镱们谚尊a e l e m e n tn a m es o l i d 4 5 n o d e s i ，j ，k ，l ，m ，n ，o ，p d e g r e e so ff r e e d o m u x ，u y u z e x ，e y , e z ，p r x y , p r y z ，p r x z ，a l p x ，a l p y , a l p z ，d e n s ，g x y , g y z ， m a t e r i a lp r o p e r t i e s g x z ，d a m p p l a s t i c i t y , c r e e p ，s w e l l i n g ，e l a s t i c i t y , s t r e s ss t i f f e n i n g ，l a r g ed e f l e c t i o n ，l a r g e s p e c i a lf e a t u r e s s t r a i n ，b i r t ha n dd e a t h ，a d a p t i v ed e s c e n t ，i n i t i a ls t r e s si m p o r t f a c e1 ( j ilk ) ，f a c e2 ( i - j - n - m ) ，f a c e3 ( j k - o - n ) ，f a c e4 ( k - l - p - o ) ，f a c e5 s u r f a c el o a d s ( l imp ) ，f a c e6 ( m nop ) ( 3 ) 建模方法 考虑到折叠式集装箱箱体结构较为复杂，本文实例采用从上到下的建模方法，即先 建立实体模型，主要是由面组成，再对模型进行网格划分，生成有限元单元计算模型。 暨镀 第二章折叠式集装箱a n s y s 有限元建模 对于整箱的建模，使用以下的处理方法可节约建模时间： 结合折叠式集装箱箱体的结构对称性以及具体试验工况，有限元模型可分别采用整 体、1 2 、1 4 以及局部的子模型，本文实例建立了整箱模型，针对不同试验工况时可提 取局部或整体模型来进行计算。 非封闭面之间的连接：a n s y s 实现非封闭面之间的连接较为困难，