ANSYSWorkbench软件在集装箱静力分析中的应用.doc

 ANSYS Workbench 软件 在集装箱静力分析中的应用 z 0.00 1000.00 2000.00（mm） x y 500.00 1500.00 集 装 箱 工 业 扬州通利冷藏集装箱有限公司 杨 俊 由于运输操作中的实际需要，对集装箱进行刚 强度静力试验是必不可少的。以往集装箱生产厂家 通常根据设计经验来设计新箱型，当遇到客户指定 结构或特殊结构的箱型时，可能对设计箱体的刚度 和强度产生疑虑，需要先制造样箱，并对样箱进行 刚强度试验，如果试验结果不通过，再加以完善甚 至变更设计。这对工时、人力、物力等都造成很大的 浪费，因此有必要应用相关的刚强度校核软件，对 设计进行辅助校核。本文应用 ANSYS Workbench （以下简称 ANSYS）软件对集装箱的刚强度静力试 验进行有限元模拟，旨在于生产前对设计箱体的刚 度和强度进行预判。 本 文以 20 英 尺 （6 058 mm × 2 438 mm × 2 591 mm）无侧门特种集装箱为例。该箱型顶部有 4 个吊耳，每侧上侧梁处各有 2 个三角加强筋，此结 构设计是为了减少吊耳起吊过程中的箱体变形。 建立有限元模型时，为减少网格划分数目、节 省计算时间，在不影响最后结果的前提下，对箱体 所有板材以面形式建模，并附以零件的对应厚度， 在 ANSYS 软件的“Design Model”界面建立模 型，导入“Design Simulation”界面进行模拟。具体步 骤如下：（1）网格划分；（2）材料力学性能参数设置； （3）模型加载和约束；（4）结果计算。 网格划分 在网格划分过程中，“面”的划分使用四边形单 元，“体”的划分使用六面体占优单元。设置网格大 小并划分网格后，共产生 86 661 个单元和 129 290 个节点。箱体网格化后的模型如图 1 所示。 ： ； ； ： ； ， ， 345 205 顶部四角吊耳起吊 吊耳处吊链与水平面呈 45 b s p O Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 图 一般钢材应力与应变关系曲线 C D B A 0.00 1000.00 2000.00（mm） 500.00 1500.00 表 材料力学性能参数 弹性模量/ 材料 MPa SPA-H 355 490 206 0.3 Q345E 470 0.3 加载 吊耳处吊链与水平面呈 45 夹 顶部对角吊耳起吊 底板均布加载 1.5R T 角 夹 底板均布加载 2.5R T 角 叉车槽接触面积为 200 mm × 叉举 底板均布加载 1.6R T 1 800 mm 注：R为负载质量，取 16 500 kg；T 为箱体质量，取 3 100 kg；R 为总毛重， 取 30 480 kg。 经过分析，发现顶部对角吊耳起吊试验项目对 箱体的影响较大，因此以该试验项目为示例进行模 拟。在 ANSYS 软件中，对应的加载和约束效果如 图 3 所 示。图 中：箭 头 A 代 表 底 板 均 布 加 载， 216 500 N 的力作用于底板；箭头 B 代表箱体自重； C 和 D 为吊耳孔心，坐标 z 方向为吊链方向，与水平 面呈 45 夹角。 箱体材料破坏形式主要有 2 种：一为断裂，一为 屈服。由图 2 可见，一般钢材具有良好的塑性，经由 较大的变形后才会断裂，所以本文主要考虑材料的 屈服强度。根据材料力学理论，材料屈服强度理论 即第四强度理论：外力作用下载荷在位移上作功， 全部转化为储存在弹性体内的势能，即所谓的变形 能，产生塑性变形。在此列出推导后的第四强度理 论经验数学表达式 （ 1 2）2+（ 2 3）2+（ 1 3）2/ 2≤ s/n ＝[ s] 式中 s 为材料屈服应力；[ s] 为材料单向拉伸变形 时的许用应力 1 2 3 为网格单元中各方向的拉 伸应力，设 1 最大；n 为安全系数。 根据上述数学表达式，为保证箱体材料工作时 不发生永久变形，最大拉伸应力 1 应小于拉伸变形 许用应力[ s]。ANSYS 软件精确计算结果中的等效 应力值，即上述最大值 力 s。 1，应小于各材料的屈服应 该箱所用材料为低合金耐候钢（SPA-H）和低合 金高强度钢（Q345E），力学性能参数见表 1。将参数 输入 ANSYS 软件中，计算中使用，计算结果的判断 需比对此参数。 计算结果 《集装箱检验规范（2008）》对该箱型有以下要 CONTAINER INDUSTRY 材料力学性能参数设置 如图 2 所示，箱体材料拉断过程分 4 个阶段： I—线性阶段；II—屈服阶段；III—强化阶段；IV—颈 缩阶段。图中 p 为材料比例极限，小于该值时应力 与应变成线性关系 s 为材料屈服极限，大于该值时 材料失去抵抗变形的能力 b 为材料强度极限，即材 模型