基于ANSYS的方圆罐箱结构强度有限元分析

基于ANSYS的方圆罐箱结构强度有限元分析

刘美琪周欢李爽 汪炬松

中车长江运输设备集团有限公司科技开发分公司 技术支持部  湖北武汉 430212

摘 要：依据GB150及JB4732标准，对方圆罐箱在堆码工况、试验压力（介质为水）工况及外压稳定性工况进行限元分析，并析结果进行评估。

关键词：方圆罐箱；堆码工况；试验压力；应力分类；

目前方圆罐箱结构设计无直接适用的标准和公式，为保证方圆罐箱具备安全运输、安全作业的技术条件，设计时应保证方圆罐箱具有足够的强度、刚度、稳定性。对方圆罐箱进行有限元分析并对分析结果进行合理评估是实现上述设计要求的有效方法,以堆码工况、试验压力（介质为水）工况及外压稳定性工况为例，对方圆罐箱结构强度及稳定性进行有限元分析,并对结果进行评估。

1、方圆罐箱结构及设计参数介绍

方圆罐箱罐体横截面为8段弧型式的非圆形截面罐箱，主要由框架、裙圈、罐体、加强圈等组成。框架尺寸符合20英尺标准集装箱尺寸，罐体及裙圈均为8段弧形板结构，既有圆形罐箱罐体截面尺寸受框架尺寸限至，罐体容积无法加大，将罐体截面设计成8段圆弧的方圆结构，可有效增加罐体容积，主要设计参数如下：

外形尺寸（mm）：6058×2438×2896

总容积(m3)：32 approx

额定质量(kg)：34000

载重(kg)：28200

设备净重(kg)：≤5800

试验压力(MPa)：0.265

2、罐箱材料性能

罐箱框架采用Q450NQR1材料，屈服强度为450MPa,抗拉强度为550MPa,弹性模量为2.06E5 MPa，泊松比为0.3。

罐箱封头、罐体、加强圈采用S30408Rp1.0材料，屈服强度为250MPa,抗拉强度为520MPa,弹性模量为1.95E5 MPa，泊松比为0.3。

3、有限元模型建立

根据方圆罐箱的结构特点，建立有限元力学模型，板壳单元大小为25mm，罐体全部采用板壳单元，封头有效厚度6.2mm，筒体及加强圈有效厚度5.8mm，角件采用实体单元solid185单元模拟。零件与零件的焊接位置适合采用共节点连接方式。忽略管路、阀体等附件。

4、各工况下边界条件施加方法介绍

4.1 基本载荷

4.1.1箱体质量（又称空箱质量）T

指包括固定附属装置在内的空集装箱的质量。

4.1.2 箱内充满水的质量W

指受验的罐式集装箱内充满水的质量。

4.1.3 试验压力

在压力试验时，容器顶部的压力。

4.2 堆码工况下边界条件施加方法

载荷分别为箱体自重T、加满水重量W和堆码载荷。

其中加满水重量W以函数形式添加在罐体表面，密度为（1.0E-9）t/mm3。堆码载荷为每个角件942kN，在顶角件至少应进行横向25.4mm，纵向38mm，偏心施加。

约束为4个底角件底面全约束。

4.3 试验压力（介质为水）工况

试验压力工况需施加箱体自重T、罐体试验压力0.265MPa以及注满水的重力W。

约束为4个底角件底面全约束。

4.4 外压稳定性工况

向罐体施加外压0.021MPa。

约束为4个底角件底面全约束。

5、计算结果评估依据

5.1 堆码工况下结果评估

框架最大合成应力值应小于材料屈服强度。若局部连接处较小区域最大合成应力超过材料屈服强度，可参考《JB 4732-1995钢制压力容器——分析设计标准》（2005年确认）章节5.2.2中的应力分类方法对其进行评价，即SⅣ≤ 3Sm，Sm=σS/1.5(σS为材料的屈服强度)。

5.2 试验压力（介质为水）工况下结果评估

罐箱框架、裙座及加强圈的强度评估方法可采用标准中规定的应力分类方法，罐体的强度评估需分别对封头及筒体进行评估，具体方法如下：

依据GB150-2011-4.5.2，首先确定材料在此工况下的设计应力强度Sm=0.9 ×σs×φ，其中σs为材料的屈服强度，φ为焊接接头系数。

依据JB4732章节3.7.1.2，计算求得封头和筒体的一次总体薄膜应力强度SⅠ应小于上述Sm；

计算求得的一次薄膜加一次弯曲应力的应力强度SⅢ，应不超过下列两式给出的限制值：

当SⅠ ≤ 0.67 σs时，SⅢ ≤ 1.35 σs；

当0.67 σs < SⅠ≤0.9 σs时，SⅢ≤2.15σs － 1.2 SⅠ。

计算求得的一次加二次应力SⅣ≤3Sm。

5.3 外压稳定性工况

依据GB150-2011标准释义第4.4章节第二部分，罐体及加强圈结构线性特征值屈曲分析，安全系数应大于3.0。

6、计算结果及评估

6.1堆码工况

堆码工况下框架最大应力为601.4MPa，发生位置在立柱与上角件连接处，许用应力为611MPa，封头、罐体、加强圈最大应力为418.1MPa,发生位置在裙座与框架连接处，许用应力为500MPa,最大应力均小于许用应力，结果合格。

6.2 试验压力（介质为水）工况

6.3 外压稳定性工况

对罐体及加强圈结构进行线性特征值屈曲分析，一阶失稳云图如图1所示。计算得出安全系数为6.52864。

图1 外压稳定性工况下罐体及加强圈一阶失稳云图

7、结论

根据《JB4732-1995 钢制压力容器——分析设计标准》（2005年确认）及GB150-2011《压力容器》的要求，对方圆罐箱堆码工况、试验压力工况采用应力分类方法进行评价，各部位的应力均小于相应材料的许用应力，外压稳定性工况一阶失稳系数6.5286大于标准中规定的稳定安全系数3.0，满足强度及稳定性要求。期望通过对应力分类及评价方法在方圆罐箱强度分析中的应用，可为方圆罐箱及其它类型罐箱的设计、有限元分析工作提供参考。

参考文献

[1]中国船级社.集装箱检验规范2021[S].北京：人民交通 出版社，2021：86-87.

[2]JB 4732-1995 钢制压力容器——分析设计标准[S].