H式集装箱装卸架结构性能分析

管群生 贾楠 李红勋

GUAN Qun-sheng et al

1. 总后军交运输研究所 天津 300161

2. 军事交通学院 天津 300161

1 前言

H式集装箱装卸架（以下简称H架）是整体自装卸补给车装卸集装箱的专用属具。H架上布置了四个圆锥导向体，通过与集装箱一端的四个角件连接后构成一个整体，供自装卸系统作业。相较传统整体自装卸车需借用其他设备将集装箱吊装、固定在托盘上后再进行作业的方式，带有H架的整体自装卸车可以在维持原有功能的前提下具有直接装载集装箱的能力，有效节省了装卸时间，同时由于减少了托盘，不仅提高了载荷利用率，而且降低了装载质心，提高了行车的安全性。整体自装卸补给车集装箱作业如图1所示。

H架由上下两部分套叠而成，上部分由一根横梁和两根钢管焊接构成，下部分由两根侧管、两根钢管及连接板焊接构成，伸缩长度为554 mm。上下段伸缩管采用方管结构，管内采用尼龙滑块进行间隙的调整和导向。H架上下部各焊接两块平板，并在对应集装箱角件位置分别焊接两个圆锥导向体。作业时，先将H架上的圆锥导向体插入四个角件，完成集装箱的锁紧加固，再由自装卸机构吊挂H架完成集装箱装卸作业。H架的结构如图2所示。

由于H架在工作过程中将承受拉伸、压缩、剪切、弯曲、交变等多种载荷，利用经典方法分析其结构性能较为复杂，因此，本文利用ANSYS Workbench有限元分析软件对H架在各工况下的结构性能进行分析，验证其结构强度能否满足使用要求。

2 各工况受力情况分析

2.1 第一工况受力分析

第一工况示意图如图3所示。在装卸过程中，将吊臂开始拉H架吊环的瞬间设为第一工况，对其分析可知，由于速度可以忽略不计，此时集装箱可视作受力平衡状态。集装箱后部着地点N处的重力矩和吊臂的拉力矩平衡。该工况下受力如图4所示。

根据受力分析，得到公式

式中，G=16 000 kg，L=6 058 mm，a=200 mm。

计算得T1=80 000 N，方向竖直向上。

2.2 第二工况受力分析

第二工况示意图如图5所示。将集装箱被拉起至最大角度时的工况设为第二工况，忽略速度和惯性力的影响，此时集装箱下边缘与支撑导向板刚接触，可看作导向板对集装箱没有支持力，集装箱前端抬起角度最大，后端着地，根据力矩平衡原理，受力分析如图6所示。

根据受力分析，得到公式

计算得T2=80 000 N，方向竖直向上。

2.3 第三工况受力分析

将集装箱装箱完成前一时刻的工况作为第三工况，如图7所示。此时集装箱后端被导向板支撑，导向板支撑力、拉力与重力平衡，将导向板支撑力简化为作用在导向板水平中心处的集中载荷，受力分析如图8所示。

根据受力分析，得到公式

式中，b为导向板水平中心至集装箱右侧壁距离，约为800 mm。根据力矩平衡可解得：T3=64 036 N，方向竖直向上。

3 有限元分析模型的建立

a. 模型导入。利用ANSYS Workbench和Solidworks的双向互导功能，将Solidworks中建立的H架模型导入ANSYS Workbench环境中[1]。

b. 添加外载荷。H架所受的主要载荷为四个角件位置的工作阻力以及横梁上提升力。H架的自身重力可通过添加重力加速度的方法由计算机自动求得。以第一工况为例，对装配体添加约束和力，如图9所示。

c. 材料参数。H架的主体结构采用Q235A钢材，其屈服极限σs=235 MPa，密度ρ=7.85×103kg/m3，弹性模量E=2.12×1011Pa，泊松比μ=0.312。

d. 网格划分。采用自动化分法（automatic method）对H架进行网格划分，单元格类型选择具有可塑性的solid45，共划分11 095个四面体网格、16 692个节点。图10为H架的网格划分结果。

4 H架的有限元分析

在前期工作的基础上，运行结果分析可得到H架在三种工况下的应力分布和结构变形情况，如图11～16所示。

由图11～16可知，H架的整体受力比较均匀，最大应力出现在吊环中间的局部位置，大小约为90.01 MPa，应力位置符合实际情况。按照Q235A屈服极限限σs=235 MPa，计算求得其安全系数为n=2.6。可见，该结构设计安全可靠，符合设计规范[2]。

5 总结

介绍了H架的基本功能和主要结构，分析计算了H架在各种工况下的受力情况，最后利用ANSYS Workbench软件对H架的结构性能进行了有限元分析，得到了三种工况下H架的应力和变形情况，结果表明H架的设计符合规定，安全可靠。

本文采用现代设计方法，利用计算机辅助计算完成复杂结构件的机械性能分析，与传统分析方法相比，减少了人员计算工作量、提高了工作效率、计算精度和准确性，取得了明显效果。此分析方法对于改进原有产品的设计或进行其它新产品的开发研制都有重要的现实意义。

[1] 浦广益. ANSYS Workbench 12 基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[2] 刘鸿文. 材料力学[M]. 北京:高等教育出版社,2003.