20英尺环卫集装箱有限元分析及检验规范

徐舜吉　操安喜　沈聪　金永兴

1 20英尺环卫集装箱简介

20英尺环卫集装箱是上海环境物流有限公司用于城市垃圾水路和公路周转运输的专用集装箱，是实现城市垃圾集约化管理和无害化管理的重要装备，其垃圾装运量占上海城市垃圾运输总量的70%。集装箱的结构可靠性和耐用性对运输成本和运输安全的影响较大。为保证国际标准集装箱的安全性，国际标准化组织（International Organization for ，ISO）和中国船级社（China Classification Society，CCS）推出集装箱标准规范和检验规范。[1-3]

目前，集装箱箱体结构的安全性检测及设计过程中用到的强度判据主要参考CCS制定的《集装箱检验规范》（以下简称《规范》）。在集装箱（尤其是特种集装箱）的设计和开发过程中，除结合经验数据外，利用有限元方法[4]对箱体结构进行计算和优化已成为常规的设计手段。例如：陶珍军等[5]进行集装箱刚度试验的有限元模拟，较早地系统阐释应用有限元软件对集装箱进行结构分析的全过程；程钢等[6]对一种特制集装箱进行有限元分析，并且系统阐释当集装箱结构不满足要求时，如何利用有限元软件进行结构优化；刘峻等[7]基于ANSYS参数化设计语言，模拟仿真小车滚压测试，根据底板的不同铺设情况及小车在集装箱内的不同位置，按多工况对集装箱底板进行静力分析；郑艳平等[8]通过有限元法计算、分析压缩天然气瓶组集装箱在常温环境下考虑动态惯性力影响后的结构应力水平，直观地分析其框架在受载情况下的应力情况，并对框架的结构设计提出改进意见，使框架结构设计更加合理，从而提高瓶组集装箱的安全可靠性；王琨博[9]计算20英尺低温液体罐式集装箱的结构强度，分析时采用板壳单元和梁单元，4个箱角刚性固定，并且将各个方向的惯性力转化为动压力叠加到设计压力上，此计算结果很好地满足了《规范》的要求。

20英尺环卫集装箱的箱体结构采用薄形钢板和结构型钢焊接而成，其几何尺寸为？？，属于国际标准集装箱中的1C型。不过，从使用的角度来看，环卫集装箱则是典型的特种集装箱，该箱自重约为，额定装载量为。此外，环卫集装箱的特殊性还表现在以下方面：（1）装载的货物为城市垃圾，其成分复杂且含有大量水分，对箱体侧壁的作用力较大；（2）在垃圾打包压缩装载的工况下，环卫集装箱类似于压力容器，箱体结构四周所有壁面均承受来自压缩机推头的内压力作用，该压力与打包压缩机推头的推力直接相关。鉴于环卫集装箱在使用过程中的特殊性，本文利用有限元软件，分别进行在《规范》要求下集装箱框架结构的静力分析和考虑压缩装载工况时集装箱框架结构的静力分析，并将之与实际使用情况进行比较，以期为此类集装箱的设计和检测提供参考。

2 计算模型

2.1 有限元模型

首先，利用Femap软件建立集装箱几何模型，考虑到环卫集装箱多个工况载荷的对称性，仅建立一半模型；然后，在几何模型的基础上划分有限元网格，集装箱各构件（如立柱、端横梁、各类板材等）均采用板单元模拟。网格大小控制在？左右，单元数为，节点数为。20英尺环卫集装箱几何模型及有限元网格模型见图1～3，箱体主体结构采用普通钢Q235。

2.2 计算工况

依据《规范》（2012），结合20英尺环卫集装箱装载实况，共选取5种典型的试验装载工况，并计算各工况所对应的载荷值（见表1）。

3 计算结果及分析

3.1 按照《规范》要求计算集装箱各构件所受应力及变形情况

按照表1中计算工况的要求，对20英尺环卫集装箱箱体结构进行计算，获得其在《规范》要求下的应力及变形情况如图4所示，5种典型工况下集装箱各构件的最大变形量和最大应力值见表2。

由表2可见：在《规范》设定的计算载荷条件下，20英尺环卫集装箱结构最大应力值为，发生在靠近角件的前门楣处；最大变形量为，发生在底板上；侧板变形量较小，仅为，而不受货物直接作用力影响的顶板的变形量不到。由计算结果可知，箱体结构整体应力值不高，均在材料屈服强度以内，结构不会发生永久性变形现象。然而，从环卫集装箱的实际使用情况来看，除框架变形不明显外，底板、侧板、顶板均发生明显的永久性变形（见图4）：箱体结构四周壁面板格可见明显的外凸，板格面积越大，其变形量越大，尤其是几乎不受箱内货物直接作用力影响的顶板亦出现不同程度的永久性变形。由此可见，《规范》设定的检验工况并不能反映环卫集装箱的实际使用工况。

3.2 施加压缩装载工况后计算集装箱各构件所受应力及变形情况

通过现场调研发现，20英尺环卫集装箱除具有国际标准集装箱的吊装、堆码、转运等工况外，还具有打包压缩装载的特殊工况（见图5）。该工况的基本流程如下：首先，垃圾压缩机舱门与集装箱后门通过3个卸扣紧密对接；然后，压缩机推头将压缩打包好的半紧实垃圾块推送至箱内，推送过程中压缩机械设备借助箱体结构对垃圾进行再次压缩，直至集装箱箱门能够关上；最后，关上箱门。在此过程中，集装箱类似于承受内压的压力容器，箱体结构的5个壁面承受来自压缩机推头的内压力作用，该压力与打包压缩机推头的推力和推头移动的速度直接相关。经试验测定，该压力最大值约为0.033 MPa。

对箱体结构进行压缩装载工况的有限元计算分析，计算结果表明，在集装箱顶板、侧板、底板均出现超出屈服极限的高应力区。为此，本文对箱体结构进行非线性静力分析，材料非线性数据取自文献[10]，材料屈服极限值取，通过计算获得箱体结构各构件在压缩装载工况下的最大变形量和最大应力值（见表3）。

分析显示：在压缩装载工况下，20英尺环卫集装箱顶板、侧板、底板结构均有超出屈服极限的区域，屈服点均位于顶板、侧板及底板的板格上，靠近横梁、门楣或门槛的位置，箱体结构中的骨架结构（如顶横梁、侧背梁及底横梁等）的应力均在弹性范围内；箱体结构出现较大变形，最大变形量为，位于顶板板格，因为顶板最薄，侧板的最大变形量为，底板的最大变形量为。压缩装载工况下20英尺环卫集装箱的应力和应变分布见图6。对比图5与图6可以发现，有限元数值模拟结果与环卫集装箱箱体结构实际发生的永久性变形基本吻合。

从20英尺环卫集装箱压缩装载工况的非线性静力计算及分析结果来看，模拟仿真结果与环卫集装箱实际使用情况吻合。在压缩装载工况下，环卫集装箱箱体结构的永久性变形是由压缩机推头推力产生的内压力通过货物传递至箱壁面而引起的，该载荷为进行箱体结构评估的决定性载荷。

4 结束语

本文依据《规范》设定载荷工况和实际装载工况，采用有限元方法对20英尺环卫集装箱进行多工况下的结构静强度计算，并将计算结果与集装箱的真实使用情况进行对比研究，结果表明：（1）20英尺环卫集装箱与国际标准集装箱在使用条件上有很大差别，仅基于《规范》设定的计算载荷对此类集装箱进行结构设计是不妥的，设计过程中应考虑箱体结构的压缩装载工况，在该工况条件下，箱体结构承受较大的内压作用，这是进行结构设计和检测的决定性条件；（2）建议对现有《规范》进行修订，增加20英尺环卫集装箱箱体结构强度计算校核和检测相关内容。

参考文献：

[1] 中国船级社.集装箱检验规范[S]. 2012.

[2] 张敬轩. 试谈国际标准集装箱箱体结构的基本理论（上）[J]. 交通标准化，2001（5）：30-33.

[3] 张敬轩. 试谈国际标准集装箱箱体结构的基本理论（下）[J]. 交通标准化，2001（6）：31-33.

[4] 王勖成.有限单元法[M]. 北京：清华大学出版社，2003：163- 169.

[5] 陶珍军，林德浩，刘旺玉，等. 集装箱刚度试验的有限元模拟[J]. 华南理工大学学报：自然科学版，1994，22（5）：26- 31.

[6] 程钢，史宝军. 一种特制集装箱结构优化设计有限元分析[J]. 山东建筑大学学报，2010，25（4）：355-358.

[7] 刘峻，高建和. 基于有限元的集装箱底板静力分析[J].制造业自动化，2012，34（12）：95-98.

[8] 郑艳平，朱厚军. CNG瓶组集装箱框架结构的应力分析[J].包装与食品机械，2012，30（5）：25-28.

[9] 王琨博. 20英尺低温液体罐式集装箱的结构强度计算[J].中国化工装备，2014（5）：15-18.

[10] 张磊. Q235钢拉伸性能的有限元仿真与试验[D].吉林：吉林大学，2012.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2016-03-28）