基于ANSYS的液氯罐式集装箱有限元分析

王　强　杨春明　王庆国　魏佳广

（1．中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司　2.海洋石油工程股份有限公司）



基于ANSYS的液氯罐式集装箱有限元分析

王强*1杨春明1王庆国1魏佳广2

（1．中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司2.海洋石油工程股份有限公司）

摘要以1CC型液氯罐式集装箱为例，建立有限元分析模型。将介质惯性力处理为静载荷和动载荷，分别采用等效质量法、平均压强法和冲击载荷法三种不同加载方式对1CC型液氯罐式集装箱进行有限元分析计算。结果表明，三种不同加载方式对罐体本身的应力强度差别较小，而对于罐式集装箱的框架和鞍座应力强度的差别则很大。

关键词罐式集装箱惯性力应力有限元分析液氯载荷

*王强，男，1977年生，硕士，工程师。葫芦岛市，125001。

0　引言

罐式集装箱具有一次性投资小、装载量大、营运费用低、符合国际潮流等显著优点，长期使用可大幅降低装运成本，经济性极佳。由于罐式集装箱属于移动型设备，因此既要考虑其在运行过程中受本身重力的影响，还要考虑其在运输过程中受惯性力的影响。在有限元计算中，惯性力的加载方式大致有三种：等效质量法、平均压强法以及冲击载荷法。本文以1CC液氯罐式集装箱为例，考察了三种惯性力加载方式对集装箱强度的影响，并依据《国际海运危险货物规则》[1]（IMDG CODE）中的有关要求，计算罐式集装箱在运输过程中各种惯性力作用下结构的应力水平，利用《集装箱检验规范》[2]（2012版）进行强度校核。

等效质量法：所谓等效质量法，就是将物料质量以及设备净质量等效在罐壁上。在计算时对罐体的密度进行等效，将介质的惯性力处理为体积力静载荷，它符合JB/T 4781—2005《液化气体罐式集装箱》[3]中的规定，可考虑将惯性力载荷均匀施加于罐体形心。

平均压强法：将介质惯性力均匀分布在罐体垂直于对应运动方向的投影面上。将介质惯性力处理为面积力静载荷，符合《集装箱检验规范》中的惯性力应均匀分布在垂直于对应运动方向的投影面上的规定。

冲击载荷法：对液体的晃动过程进行数值模拟，并且将晃动过程中产生的介质静压强作用于罐体上。

1 1CC液氯罐式集装箱主要技术参数

1CC液氯罐式集装箱的设计参数如表1所示。1CC液氯罐式集装箱的材料参数如表2所示。

表1　1CC液氯罐式集装箱的设计参数特性

表2　1CC液氯罐式集装箱的材料参数

2计算原理及工况

2.1 1CC液氯罐式集装箱模型的建立

1CC液氯罐式集装箱设计时罐体和罐体上的开孔首先应满足中国船级社《集装箱检验规范》和GB 150.1～150.4—2011《压力容器》[4]的相关规定。在应力分析过程中对模型进行适当简化，忽略罐体上的各种开口，这样既不影响整体计算结果的准确性，又大大简化了计算工作量。由于罐式集装箱的罐体具有薄壳的几何特征[5]，因此本分析中，对于框架采用空间梁单元Beam188单元进行模拟，对于罐体及支座采用板壳Shell181单元进行模拟。以罐体运动方向为X轴正半轴，按照右手定则建立直角坐标系，并建立1CC罐式集装箱整体空间立体模型。具体的有限元网格模型见图1。

图1　1CC罐式集装箱有限元模型

2.2惯性力的加载

根据中国船级社《集装箱检验规范》（2012版）中关于罐式集装箱有限元计算指南的一般规定，罐式集装箱在运行过程中承受以下四种惯性力。

（1）在运动方向：惯性力为额定质量的2倍重力加速度2mg。

（2）在与运动方向成直角的水平方向：惯性力为额定质量的1倍重力加速度mg。

（3）垂直向上：惯性力为额定质量的1倍重力加速度mg。

（4）垂直向下:惯性力为额定质量的2倍重力加速度2mg。

2.3惯性力的计算及边界条件的施加

2.3.1等效质量法的惯性力计算

根据1CC液氯罐箱的设计参数，罐体质量为4822 kg，最大运营质量为17 500 kg，框架和罐体密度均为ρ=7.85×10-6kg/mm3。根据等效质量法，将罐体内液体的密度等效到罐体上。分析过程中罐体的等效密度为ρ′=363.39 kg/mm3。

2.3.2平均压强法的惯性力计算

按照平均压强法的定义和1CC液氯罐箱的图纸几何尺寸，当集装箱分别承受四种工况的惯性力时，其平均压强的计算如下所述。

（1）运动方向

投影面积：以筒体为直径的圆；作用范围：前封头。

罐体内介质的惯性力：F0=343 350 N。

前封头在运动方向的投影面积：S1=2.54 m2。

平均压强：Ps1=0.135 MPa。

（2）水平方向

投影面积：两个半椭圆面积与一个矩形面积之和；作用范围：罐体侧面。

罐体内介质的惯性力：F0=171 675 N。

罐体侧面在运动方向的投影面积：S2=13.8 m2。

平均压强：Ps2=0.012 4 MPa。

（3）垂直向上

投影面积：两个半椭圆面积与一个矩形面积之和；作用范围：罐体下半部。

罐体内介质的惯性力：F0=171 675 N。

罐体侧面在运动方向的投影面积：S3=13.8 m2。

平均压强：Ps3=0.012 4 MPa。

（4）垂直向下

投影面积：两个半椭圆面积与一个矩形面积之和；作用范围：罐体上半部。

罐体内介质的惯性力：F0=343 350 N。

罐体侧面在运动方向的投影面积：S4=13.8 m2。

平均压强：Ps4=0.024 8 MPa。

2.3.3冲击载荷法的惯性力计算

当介质充装系数0＜k≤0.92时，最大冲击力公式[6]为：

Fmax=（0.216+2.029k-0.696k2）ρVa

按照冲击载荷法的定义和1CC液氯罐箱的图纸几何尺寸，罐体容积V=14 m3，介质密度ρ=1350 kg/m3，加速度a=19.6 m/s2，充装率k=0.92。当集装箱分别承受四种工况的惯性力时，最大冲击力Fmax=553 283 N，其冲击载荷的计算如下。

（1）运动方向：前封头处的压强Ps1=0.217 MPa。

（2）水平方向：罐体侧面处的压强Ps2=0.02 MPa。

（3）垂直向上：罐体下半部处的压强Ps3=0.02 MPa。

（4）垂直向下：罐体上半部处的压强Ps4=0.04 MPa。

根据《国际海运危险货物规则》的规定，冲击工况可将介质冲击力处理为4倍额定质量乘以重力加速度的静载荷，即冲击力载荷相当于惯性力载荷的2倍。计算时将此附加的动载荷叠加到设计压力上，则四种工况下集装箱的惯性力载荷如下：

（1）运动方向：Ps1=0.269 8 MPa。

（2）水平方向：Ps2=0.019 7 MPa。

（3）垂直向上：Ps3=0.019 7 MPa。

（4）垂直向下：Ps4=0.039 4 MPa。

3　有限元计算结果

按照上述三种惯性力加载方式分别加载，得到1CC液氯罐式集装箱各部位的应力分析结果，如表3～表6所示。结果的评定按《集装箱检验规范》（2012版）执行。

表4　与运动方向成直角的水平方向时三种加载方式应力强度计算结果（MPa）

基于《集装箱检验规范》的强度评定准则：

（1）考虑惯性力时，1.5σ0≤Re；

（2）堆码试验时，σ0≤Re。

上述式中，σ0为计算所得最大合成应力值，Re为材料的屈服极限。

表5　垂直向上时三种加载方式应力强度计算结果（MPa）

表6　垂直向下时三种加载方式应力强度计算结果（MPa）

4　结论

采用ANSYS模拟分析的方法，对1CC液氯罐式集装箱运动过程三种不同惯性力加载应力进行分析和对比，得出如下结论：

（1）由于受内压及罐内液体晃动冲击的影响，四种工况下罐体应力强度最大值均出现在筒体与封头连接的局部位置，且相差不大；框架的应力强度最大值出现的位置不同，且应力强度数值相差较大；同时罐体与鞍座连接处应力值也较大。

（2）等效质量法因将罐内液体质量等效到罐体上，未考虑罐体内液体对罐内壁的冲击作用，应力强度最小，而平均压强法次之，冲击载荷法最大。

（3）平均压强法一定程度地反映了罐内液体冲击对罐壁应力的影响，适合初步估算罐体和框架的应力强度。目前多数采用平均压强法进行集装箱罐体的设计。

（4）冲击载荷法考虑了介质晃动因素，采用压强最大值加载，计算结果偏于保守。在设计时罐体内可考虑增设防波板，以减少介质晃动的影响。

参考文献

[1]国际海事组织.国际海运危险货物规则（2013版）[S].

[2]中国船级社.集装箱检验规范（2012版）[S].

[3]JB/T 4781—2005液化气体罐式集装箱[S].北京：新华出版社，2005.

[4]GB 150.1～150.4—2011压力容器[S].

[5]李建国.压力容器设计的力学基础及其标准应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6]刘雪梅，钱才富.液体晃动的数值模拟及不同惯性力加载方式对罐式集装箱强度的影响研究[D].北京：北京化工大学，2009：71—75.

应用研究

Finite Element Analysis of Liquid Chlorine Tank Container Based on ANSYS

Wang Qiang Yang Chunming Wang Qingguo Wei Jiaguang

Abstract：A finite element analysis model is established by taking 1CC liquid chlorine tank container as an example.The finite element analysis calculation of 1CC liquid chlorine tank container is carried out through the equivalent quality method,average pressure method and impact load method respectively,when the inertial force of the medium is the static and dynamic load.The results show that the stress intensities on the container of the three different loading modes are finely discriminating while that on the framework and saddle are quite different.

Key words：Tank container; Inertial force; Stress; Finite element analysis; Liquid chlorine; Load

收稿日期：（2015-07-27）

中图分类号TQ 050.2

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.004