基于ANSYS的某半高箱有限元分析和结构改进设计

秦 嵩 ，尹志新 ，张 伟

（1.广西大学 机械工程学院，广西南宁530004；2.安阳工学院，河南安阳455000）

半高箱是集装箱的一种类型，用于远洋船舶上运输大型货物，适合叉车和港口吊装设备的搬运，装卸货物非常方便。技术部门拟设计一种半高箱，需要在ANSYS中建立模型，计算结构在标准试验工况下的强度和刚度值，以此来判断结构的性能是否合符相关标准的要求，并对其结构进行改进和优化。

1 建立计算模型

按照半高箱的实际尺寸，在有限元软件ANSYS中建立几何模型，该半高箱为1/4对称结构[1]，只须对箱体的1/4结构建模，并采用壳单元shell63对模型进行离散，共生成42 133个单元，41 596个节点，模型如图1所示。

图1 1/4箱体分析模型

2 载荷工况及材料力学性能

2.1 载荷工况

本次计算主要模拟堆码、吊顶、吊底和叉举试验，各工况下载荷和约束的组成如表1所示（R=27 000 kg、T=3 000 kg）。

表1 工况载荷列表

2.2 力学性能曲线

该材料为SPH-A，实验得出的屈服极限为395 MPa，弹性模量E=195 GPa，拉伸曲线如图2。

图2 材料SPH-A的力学性能曲线

3 计算结果

3.1 堆码试验工况

在堆码载荷作用下，整个箱体的最大位移为24.975 mm，发生在侧板上边缘中间处（如图3），角柱上的变形最大为2.574 mm，发生在角件伸出角柱部分上边缘处（如图4）。

图3 堆码试验箱体结构位移云图

图4 角柱位移云图

箱体上多个部位出现危险区域（应力超过材料的许用应力区域），具体位置如图5箭头所指。建议侧板上边缘与角柱连接处增加强板，其他危险区域增加接触面积，以分散集中应力。

图5 堆码试验箱体等效应力云图

3.2 吊顶试验工况

吊顶试验工况下，整个箱体的最大变形为26.748 mm，发生侧板上边缘中间处（如图6）。

图6 吊顶试验箱体位移云图

箱体上多个部位出现危险区域（应力超过材料的许用应力区域），具体位置如图7箭头所指。建议侧板上边缘与角柱连接处增加强板，其他危险区域增加接触面积，以分散集中应力。

图7 吊顶试验箱体等效应力云图

3.3 吊底试验工况

吊底试验工况下，最大变形为27.667 mm，发生侧板上边缘中间处（如图8）。

图8 吊底试验箱体位移云图

箱体上多个部位出现危险区域（应力超过材料的许用应力区域），具体位置如图9箭头所指。建议侧板上边缘与角柱连接处增加强板，其他危险区域增加接触面积，以分散集中应力。

图9 吊底试验箱体等效应力云图

3.4 叉举试验工况

在叉举试验工况下，整个箱体的最大变形为20.566 mm，发生侧板上边缘中间处（如图10）。

图10 叉举试验箱体位移云图

箱体上多个部位出现危险区域（应力超过材料的许用应力区域），具体位置如图11箭头所指。建议侧板上边缘与角柱连接处增加强板，其他危险区域增加接触面积，以分散集中应力。

图11 叉举试验箱体等效应力云图

4 改进方法

根据计算结果可以得到，该箱型在2R-T载荷下，加强筋板与侧板及底横梁接触处出现较大集中应力，建议将接触处增加垫板。侧边上边缘的L梁与角柱接触处出现较大集中应力，建议在该处增加加强板。

在通过与设计工程师的沟通后，出于结构强度、加工工艺、成本的考虑[2]，则提出如图12和图13所示两种方案。

图12 方案Ⅰ（增加6根加强板和顶中横梁、去掉外侧板）

4.1 方案Ⅰ

增加6根加强板和顶中横梁、去掉外侧板，加强板板厚由原来的4 mm改为3 mm，顶中横梁采用40 mm×100 mm，壁厚为3 mm。加载2R-T时，变形位移由原来的27.667 mm（如图8）降为10.91 mm（如图14）。除加强筋板与侧板接触处、上L梁端部与立柱接触处出现大集中应力外，其他地方均安全，建议将筋板做成L型，L梁端部增加加强板。

图14 方案Ⅰ箱体位移云图

图15 方案Ⅰ箱体等效应力云图

4.2 方案Ⅱ

增加6根加强板和顶中横梁，加强板板厚由原来的4 mm改为3 mm，顶中横梁采用40 mm×100mm，壁厚为3 mm。加载2R-T时，变形位移由原来的27.667 mm（如图8）降为8.619 mm（如图16）。除加强筋板与侧板接触处、上L梁端部与立柱接触处出现大集中应力外，其他地方均安全，建议将筋板做成L型，L梁端部增加加强板。

图16 方案Ⅱ箱体位移云图

图17 方案Ⅱ箱体等效应力云图

5 结束语

利用有限元分析软件进行结构优化设计，能够很好解决实际工程设计问题。在进行半高箱结构改进设计中，有限元分析结果完全符合实际情况，通过标准工况下强度和刚度分析及结构优化，改进后的半高箱强度和刚度满足要求，且加工工艺性好，成本低。

[1]黄国权.有限元法基础及ANSYS应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]王启广，叶 平.现代设计理论[M].合肥：中国矿业大学出版社，2005.