某型包装箱有限元分析

刘宇飞 李州

摘要：本文利用三维设计软件建立了某型包装箱的参数化实体模型，包装箱箱体主体采用玻璃纤维复合材料，其机构及受力设计对使用、运输及吊装过程中安全起着决定性作用。通过ANSYS有限元分析软件进行模拟、计算，得到包装箱在充气、运输、起吊等不同工况条件下的应力分布和位移分布，有效指导了设计过程，使包装箱结构更加合理，达到设计要求。

Abstract： This paper uses 3D design software to establish a parametric solid model of a type of packaging box. The main body of the packaging box is made of glass fiber composite material. Its mechanism and mechanical design play a decisive role in the safety during use， transportation and lifting. Through ANSYS finite element analysis software for simulation and calculation， the stress distribution and displacement distribution of the packing box under different working conditions such as inflation， transportation， and lifting are obtained， which effectively guides the design process and makes the packing box structure more reasonable and reaches the design requirements.

关键词：包装箱;有限元分析;充气;运输;起吊

Key words： packing box;finite element analysis;inflation;transportation;lifting

中图分类号：TJ410.8;TB482.2                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）36-0201-03

0  引言

包装箱对装备产品存储、地面运输等过程具有保护作用。具有防潮密封、防腐蚀、运输过程的防震保护和位置固定等功能。本文研究的某型包装箱采用端开盖方式;箱体以玻璃纤维为增强材料，以环氧树脂为基体材料，采用RTM和真空导入工艺方法制成的树脂基复合材料。该结构中，箱体受力情况和结构复杂，其设计是否合理对在使用、运输及吊装过程中安全起着决定性作用。因此，对其进行有限元分析是十分有必要的。

ANSYS是目前功能最强大的有限元分析软件之一，功能强大适用范围广，可以分析出复杂结构的应力及位移分布[1]-[3]。本文以ANSYS有限元分析软件为平台对某型包装箱进行有限元分析，得到在充气、运输、起吊等不同工况条件下应力分布和位移分布，用于指导设计过程，达到符合设计要求的目的。

1  建立有限元分析模型

1.1 实体模型

某型包装箱（如图1所示）主体结构采用玻璃钢材料，包含箱盖、箱体等组件。内部小车采用Q235材料，导轨采用Q235材料，吊环与筋板等受力件采用40Cr，导向轮采用尼龙6材料。整个箱体分为内部支撑部分，外部上下两个箱体，内部支撑由导轨、导向轮组成，用于支撑某型装备。某型装备可靠固定于内部支撑，并可利用内部支撑可以拖出包装箱外部，灵活移动至不同地点。其它部分由筋板、橡胶垫及螺栓等组成。

坐标系选取车辆前进方向为X轴正方向，竖直向上为Y轴正方向，Z轴（与内部支撑横轴方向一致），以右手法则确定。

1.2 材料屬性

具体材料属性如表1所示。

箱体两侧端板主要采用6mm玻璃钢组成，上箱体与下箱体主要由玻璃钢组合。内部小车包含导轨、支撑等组件，采用2mm、3mm、4mm、6mm等不等厚度Q235或40Cr组成。箱体总重为1600kg，内装物3300kg。

1.3 计算内容

根据标准要求，箱体整个内表面填充10kPa大气压，并静置。

根据GJB540.1-1988《飞航导弹强度和刚度规范 总则》，静强度计算包含6个工况，如表2所示。

1.4 评估方法

在表2规定的静强度工况下，计算等效应力（Von Mises）不得超过相应材料的许用应力。根据材料性能手册屈服或弹性强度计算要求，钢材母材的许用应力取材料的屈服强度的1/7，焊缝许用应力与母材许用应力相同，玻璃钢材料许用应力同样选取材料抗拉强度的1/7，如表3所示。

2  有限元分析

本次计算使用商业有限元分析软件ANSYS，单位选用mm（毫米），t（吨），MPa（兆帕），N（牛顿）。

2.1 网格划分

根据箱体结构，箱体采用壳单元进行模拟，厚度取设计值;螺栓连接处采用梁单元进行简化。整个模型单元大小约为20mm，结构单元共约28.4万个，节点共约29.4万个，接触3对。有限元模型见图2～图3。

2.2 边界条件

①充气条件下。对整个箱体内表面施加10kPa压强，对底部平面施加约束全部自由度。

②运输条件下。各工况以加速度形式对整个模型施加惯性载荷，对底部平面约束全部自由度。

③起吊条件下。起吊工况下，将上端掉點位置处进行固定，放开底部自由度。

2.3 计算结果分析

①充气工况下强度计算结果。

计算工况1中各材料应力极值位置统计结果见表4。

如图4～图5所示，等效应力较大位置主要分布在承载部件及箱体上表面附近等位置。利用系数最高的部位主要出现在导轨支撑座上，最大利用系数为0.504。

②运输工况下强度计算结果。计算工况1，工况3，工况5的各材料应力极值位置统计结果见表5。

以工况1为例（如图6～图7所示），等效应力较大位置主要分布在承载部件及箱体上表面附近等位置。利用系数最高的部位主要出现在导轨支撑座上，最大等效应力为47MPa。

③起吊工况下强度计算结果。计算工况1的各材料应力极值位置统计结果见表6。

如图8～图9所示，等效应力较大位置主要分布在承载部件及箱体上表面附近等位置。利用系数最高的部位主要出现在箱体上表面和导轨支撑座上，最大应力为11.9MPa。

3  结论

3.1 充气工况

在充气工况下，从云图及计算数据可以看出，在箱体表面上，因内部填充气压，因此在表面积较大的箱体表面受力较大，但从静强度工况（箱体）等效应力云图可以分析，并未超出所用许用应力值。对于内部导轨支撑部分，从半剖及主要支撑结构上面分析及相关主应力云图及位移，根据图示主要分布在支撑部件与滑动梁焊接的部位上面。

3.2 运输工况

在运输工况下，从云图及计算数据可以看出，在箱体不同载荷条件下，分别加载X方向，Y方向，Z方向不同的加速度极值，主要分布在端盖两侧及上箱体部分，但静强度工况等效应力云图可以分析，并未超出所用许用应力值。对于内部导轨支撑部分，从半剖及主要支撑结构上面分析及相关主应力云图及位移，主要分布在支撑部件与滑动梁焊接的部位上面以及导轨上面。

3.3 起吊工况

在起吊工况下，从云图及计算数据可以看出，在箱体表面上，因吊点位置受重力比较大，因此在起吊过程中，发现在起吊点的位置处受力较大，但从静强度工况（箱体）等效应力云图可以分析，并未超出所用许用应力值。对于内部导轨支撑部分，从主要支撑结构上面分析相关主应力云图及位移，主要分布在支撑部件与滑动梁焊接的部位上面。

通过ANSYS有限元分析软件对上述不同工况综合分析，可以明确包装箱主要部件受力位置。根据机械设计手册、材料性能手册及相关标准及有限元等效应力云图分析，可以判定各部分设计均未超出所用许用应力值，安全系数较高，该箱体部件在各条件下均满足设计要求。设计人员可以根据有限元计算结果，并结合实际工况对安全余量较大部位进行结构优化设计，在对包装箱重量要求时，对包装箱进行轻量化设计。

参考文献：

[1]宋志安.机械结构有限元分析[M].北京：国防工业出版社，2010：1-3.

[2]李黎明.ANSYS有限元分析使用教程[M].清华大学出版社，2005，5.

[3]王宏雁.有限元法在客车车身机构模态分析中的应用[J].北京汽车，2000：2-3.