基于ANSYS的房屋集装箱静力分析

赵 博，闫 单

基于ANSYS的房屋集装箱静力分析

赵 博1，闫 单2

（1.东方国际集装箱（锦州）有限公司，辽宁 锦州 121007; 2.锦州锦恒汽车安全系统股份有限公司，辽宁 锦州 121007）

用Creo和ANSYS软件为国外客户定制的房屋集装箱建筑群中的无侧墙房屋箱模块进行了模拟分析研究，并与东方国际集装箱(锦州)有限公司试验台测试数据进行比较后得出此种结构满足变形和强度要求，为后续相似产品的开发提供技术资料。

集装箱；房屋；ANSYS；有限元

房屋集装箱具有无污染，建造时间短，运输方便等特点。目前国内一些学者和企业在集装箱建筑的绿色发展、低碳环保、节能效率等方面进行了大量研究，以此来促进我国房屋集装箱产业的快速发展[1-7]。由于房屋集装箱结构较为复杂，包含很多梁柱结构和板壳结构，采用单纯的理论计算难以计算出各个部位的变形量，这会为后续装修工作中预留伸缩缝和选择材料带来很大的难度，但采用ANSYS有限元软仿真计算可以很好的解决此类问题。

1 模型的建立

无侧墙箱模块的箱体外部尺寸为12 192 mm×2 438 mm×2 896 mm，主要由角件、门连窗结构、顶侧梁、角柱、隔墙立柱、混凝土板包边料等结构组成。除角件和混凝土板外，其余结构均为薄壁型材和钣金件，具体如图1所示。

图1 无侧墙箱模块结构图

在房屋集装箱的运输和安装使用过程中，主体结构的变形和强度是客户主要关心问题，因而主要是对钢结构部分进行细致的分析是工作中的重点。房屋集装箱结构比较复杂，所以要构建十分准确的模型是非常繁琐的，对模型进行简化不仅可以提高网格质量而且可以提高效率，比如将角柱底部封板、防撞槽钢封板、挡水屋檐等不影响安全性的零件去掉等，这样可以大幅度的降低计算机的运算量，采用creo软件建立的无侧墙房屋箱模块模型如图2所示。本文对角件和混凝土墙板模型采用20节点的Solid186单元；其它薄壁钣金件简化为面体，采用4节点Shell181单元。角件材质设置为SCW480，其弹性模量为2.06e11Pa，泊松比为0.27；混凝土板材质设置为Concrete，其弹性模量为3e10Pa，泊松比为0.18；钣金件材质设置为Corten A钢，其弹性模量为2.06e11Pa，泊松比为0.27，屈服强度为343 MPa。

图2 无侧墙模块模型

2 网格划分

细密的、高质量的网格可以使计算结果更加精准，但计算速度较慢。粗糙的、低质量的网格可以使计算速度加快，但计算结果的精度会降低，因此房屋集装箱模型的网格质量将直接影响计算结果的准确性和计算速度，所以在划分网格时应权衡其中的利与弊[8-9]。对于房屋集装箱这种大型复杂结构来说，为了使网格较为规整，可以对每个零件整体设置一个单元尺寸，如将面体单元尺寸设置为20 mm，将实体单元设置为30 mm等，然后在关心的区域进行网格加密，经过多次试验最后将无侧墙模块模型划分为132 875个节点，76 231个单元，其中接触单元9 768个，实体单元66 463个，有限元模型如图3所示。

图3 无侧墙有限元模型

3 堆码工况的有限元计算

堆码是为了检验装满货物的集装箱在海洋中行驶和在码头、货运堆场堆码时，在静载和动载的情况下，特别是在堆箱中出现偏码的情况下最下层集装箱的承载能力。

本文仅对该工况结构相对较薄弱的无侧墙模块进行了分析，无侧墙模块施加载荷如图4所示。

3.1 载荷

试验方法：液压缸通过顶角件对角柱施加垂直压载。最大总重：=14 100 kg，自重：=7 500 kg，载重：=6 600 kg；箱内均布载荷：1.8-=17 880 kg，作用在底架上表面，方向为竖直向下；外载荷：12 690 kg/角柱，作用在每个顶角件上表面，方向为竖直向下。

3.2 约束

将房屋集装箱一端底部角件的自由度进行全部约束，将房屋集装箱另一端的底部角件仅约束沿箱高方向的位移，将其简化为类简支梁约束。

图5 测量位置的Z方向变形云图

3.3 计算结果

图5为与船级社试验检验标准中规定的测量点相对应位置的Z方向变形云图，从图5中可以知道有侧墙模块整箱竖直方向的最大变形量为5.55 mm。与实际角柱测量点相对应位置的变形值详见表1，与底架测量点相对应位置的变形值详见表2。图6为房屋集装箱无侧墙模块等效应力云图，从图6中可以知道有侧墙模块整箱的最大等效应力为181.2 MPa。因为钢材材质为集装箱专用Corten A钢，屈服强度为343 MPa，所以强度合格。

3.4 分析

由以上分析结果可知，房屋集装箱端部角柱的最大变形量都小于试验检验标准4 mm的要求，其中角柱B1B2的最大变形量为1.96 mm，角柱C1C2的最大变形量为0.76 mm，具体数值详见表1和表3。

在船级社的检验标准中要求底侧梁动态变形不超过底角件下平面6 mm为合格，但由于房屋集装箱两侧下平面一般高于底角件下平面30 mm，所以只要动态变形值不超过36 mm即为合格，分析结果中底侧梁的最大变形为5.01 mm，底架中间的底横梁的最大变形为5.55 mm，底侧梁和底横梁的变形值均小于限定要求，满足检验标准，具体数值详如表2和表3所示。

图6 无侧墙模块-应力云图

表1 与实际角柱测量点对应位置的变形

表2 与底架测量点对应位置的变形

4 堆码工况的试验分析

4.1 检验标准

集装箱在出厂发给客户之前，必须要通过ISO和船级社制定的各种试验载荷检验（如中国船级社），要完全满足检验标准后方可出厂。堆码试验工况的试验目的、载荷大小、试验方法和不同船级社试验检验标准数值详见表3，集装箱制造厂会按照客户要求的船级社来对其制造的产品进行试验和检验。集装箱制造厂有时会根据本公司的具体情况来选择船级社进行检验，当顾客没有具体指定何家船级社时。

表3 试验工况介绍和各家船级社试验检验标准对照表

注：(1) 最大允许变形值需要保证试验后集装箱不影响正常使用；(2) *表示相对于底角件下平面的最大允许变形值；

4.2 试验设备

主要试验设备为集装箱多功能试验平台，如图8所示的试验平台包括：顶部的主油缸，用于堆码和垂直起吊加载；左侧顶部的横向推拉油缸，高度可调，用于集装箱的横向刚性试验；前端顶部的纵向推拉油缸，高度可调，用于集装箱的纵向刚性试验。

4.3 试验工况加载

加载方式如图4所示，箱内均布载荷：1.8-=17 880 kg，角柱所需施加载荷：12 690 kg/角柱。

持续时间：5 min。

4.4 试验结果

由表4可知按照第一次偏移载荷加载时，端部角柱C1C2的最大变形达到0.9 mm，端部角柱B1B2的最大变形达到2.4 mm，都满足各家船级社检验标准中规定的4 mm。按照各家船级社的检验标准，底侧梁动态变形不超过底角件下平面6mm即为合格，但因为房屋集装箱两侧下平面一般高于底角件下平面30 mm，所以只要动态变形值不超过36 mm即为合格，所以由表5可知底侧梁的最大变形量为6.2 mm时满足试验检验标准。

表4 堆码第一次试验结果

表5 堆码试验底架变形

5 结语

(1)ANSYS仿真结果中底侧梁最大变形量为5.11 mm，角柱的最大变形量为1.96 mm。试验结果为底侧梁最大变形为5.5 mm，角柱最大变形为2.4 mm，二者均满足检验标准。对于此类大型房屋集装箱产品来说有限元计算结果和试验结果吻合较好，满足工程使用要求。

(2)仿真结果显示强度满足要求，这在后续的实际试验使用中得到验证。

(3)应用此方法进行产品设计会大大减少产品设计周期和研发资金，对公司以后新型集装箱产品的开发具有很重要的作用。

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Static Analysis of Housing Container Based on ANSYS

ZHAO Bo1, YAN Dan2

（1.Dong Fang International Container (Jinzhou) Co., Ltd. Jinzhou 121007, China; 2.Jinzhou Jinheng Autimotive Safety System Co.,Ltd. Jinzhou 121007, China）

In this paper, Creo and ANSYS software is used to simulate and analyze the house module without side walls in housing container buildings for foreign customers, and compared with test data in testbed of Dong Fang International Container (Jinzhou)Co., Ltd. , this structure satisfies the requirement of deformation and strength to provide technical data for subsequent development of similar products.

container; house; ANSYS; FEM

TH123

A

1674-3261(2020)02-0114-03

10.15916/j.issn1674-3261.2020.02.011

2019-07-02

赵博(1985-)，男，辽宁锦州人，高级工程师。

责任编校：刘亚兵