某型罐式集装箱试验失效分析

摘要：对某型罐式集装箱试验进行失效分析，用非线性有限元算法进行了模拟，揭示了失效的本质为罐体弹性失稳导致了最终的塑性垮塌，排除了人孔开闭对试验的影响，并指出现有试验方案存在缺陷，进而对试验方案进行了优化，优化后的试验方案有效避免了罐体损伤发生。

关键词：罐式集装箱;失稳;有限元

某型罐式集装箱在进行吊顶试验时[1]，发生了罐体损伤。如图1，表现为罐体人孔区域塌陷，远人孔区产生褶皱。在试验时，人孔处于打开状态，试验员认为人孔未关闭导致了失效发生。

到达现场后先进行背景调查，其试验载荷为：集装箱试验总载2R，罐体加载W=2R-T=W1+W2;集装箱额定总重R=36吨，额定皮重T=2.5吨;试验条件下，罐体内液体重量W1=21.67吨，其余载重W2=47.83吨由4 条绑带提供，绑带宽度300mm。经检验，罐体建造合格无缺陷。

试验操作过程如图2，先将四个液压缸插入罐式集装箱四个顶角件并向上提升，使箱体离地一段距离。再通过地坑里的四个液压缸向下拉紧绑带来提供W2。地坑里的四个液压缸未加载至目标值时，罐体人孔区域突然塌陷。

四根绑带为罐体带来了外压条件，人孔和周边的法兰又导致了罐体中上部刚度不连续、存在较大刚度差，再结合罐体人孔区域的塌陷和周边褶皱，初步判断为外压失稳。

为进一步验证失效原因，采用有限元法对加载过程中人孔区域的变形稳定性进行计算。为确保分析结果可靠，采用了几何非线性算法，对每一个载荷步的刚度矩阵进行更新，以准确跟踪失效区域在加载过程中的刚度变化情况[2]。

1     分析模型的建立

1.1  有限元分析模型

在ANSYS中建立有限元分析模型，如图3，角件和后端底梁连接桥板采用实体单元，共20，590个单元;其余零部件均为壳单元，共228，248个单元。

1.2  约束与载荷

约束：顶角件顶孔约束所有自由度。

載荷：重力加速度9.8m/s2;罐体内壁液压呈线性分布，最大液压0.0219MPa，分布如图4（a）;绑带对罐体外壁压强呈线性分布，最大压强0.223MPa，分布如图4（b）。

对试验时人孔打开和关闭两种情况分别进行了计算，以确认人孔开闭对塌陷的影响。

2     分析结果

2.1  试验时人孔打开

当载荷加载至目标值的91%时，非线性计算开始不收敛，如图5，这意味着罐体人孔区域开始出现几何不稳定。

如图6，该载荷值下Von Mises应力云图（变形放大80倍）显示，在人孔区域开始出现不稳定时，人孔区域有塌陷趋势，这和试验结果一致。此时， 人孔 区域 最大 应力 138MPa，并 未超 出材 料的 许用 应力（316L，170MPa），此外人孔周边有四个花瓣形大应力带。

如图7，该载荷值下第三主应力云图（变形放大80倍）显示，在人孔区域开始出现不稳定时，最大第三主应力为-138MPa。通过和Von Mises应力云图对比，发现人孔周边的四个大应力带均以压应力为主。验证了先前的判断：人孔区域发生了失稳[3]，更进一步的，人孔区域的垮塌是由弹性失稳引起的。

2.2  试验时人孔关闭

2.3  试验方案优化

目前的试验方案实质上偏离了罐式集装箱验箱标准初衷。根据验箱标准，2R-T的载荷应加载至罐体内部，对罐体产生的是内压。如果采用绑带对罐体外部加载，显然改变了试验时罐体的受力状态，罐体由承受内压变为同时承受外压，产生失稳隐患。

如果要顺利完成试验而不变更现有试验设备，最佳的方式是用铁砂替代水充装罐体，但这种方式操作费时费力。考虑到本次试验主要是为了检验与罐体配套的新框架强度，罐体强度不是关注点，故建议在罐体内打入1Bar内压，来增强罐体外压承载能力。通过再次模拟，打入1Bar内压后，在原试验条件下，罐体人孔区域不产生失稳。根据优化后的试验方案，样箱试验顺利完成，未发生罐体人孔区域塌陷。

3结语

计算模型和算法不变，将人孔封口模拟人孔关闭状态。当载荷加载至目标值的91%时，人孔区域开始失稳，承载能力阶跃式下降，参见图8。故而人孔开闭对失稳临界载荷无影响。

利用非线性有限元分析技术，对某型罐式集装箱试验进行失效分析，揭示了失效的本质为罐体弹性失稳导致了最终的塑性垮塌，排除了人孔开闭对试验的影响，并指出现有试验方案存在的缺陷，进而对试验方案进行了优化。优化后的试验方案保障了样箱试验的顺利进行，未再出现罐体失效现象。

参考文献：

[1]   集装箱验箱规范[S].中国船级社，2016.

[2]   ANSYS有限元分析实用教程[M].清华大学出版社，李黎明，2004.

[3]   减压塔大开孔结构稳定性分析[J].潘新伟，杨心理，闫思和.压力容器，2013（08）.

作者简介：

沈彦杰（1985-），江苏南通人，硕士，主要从事工程结构分析与优化设计研究.