20英尺罐式集装箱下侧粱失稳原因及优化设计方案

吕学鲁　王淑霞

近年来，随着多式联运的发展，液体货物罐式集装箱（以下简称“罐箱”）的市场需求量越来越大。在罐箱设计过程中，既要考虑罐箱运输的经济性，又要考虑罐箱运输的安全性。下侧梁作为罐箱框架结构的重要部件之一，对确保罐箱运输安全具有重要作用。本文分析20 英尺罐箱下侧梁在外部纵向栓固试验中发生旁弯变形现象的原因，并提出下侧梁优化设计方案，以期为此类罐箱的设计生产提供参考。

1 20英尺罐箱下侧梁失稳现象

20英尺罐箱主要由框架和罐体组成（见图1），其下侧梁原设计方案如下：采用符合GB/T 6723-2017《通用冷弯开口型钢》的自制冷弯等边槽钢（截面尺寸为150 mmx80 mmx4mm），开口端面等距离均匀设置劲肋，材质为符合GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》的 Q355D，由2段拼接而成。此方案符合罐箱轻量化、重载化设计理念，能在有效减轻罐箱自身质量的同时提升载运能力，有利于增强罐箱的市场竞争力。

罐箱在批量生产前需要按照船级社要求通过各项技术试验认证，其中包括外部纵向栓固试验。如图2所示，设罐箱额定总质量为R，罐箱自身质量为T，重力加速度为g，外部纵向栓固试验的加载方式如下：往罐箱内装入相当于R-T的均布载荷，通过箱体同一端的2个底角件的底孔将罐箱栓固在水平支座上，并通过另一端的2个底角件的底孔同时施加相当于2xRxg的纵向水平力，先推后拉。在对20英尺罐箱实施外部纵向栓固试验的过程中，当推力达到0.36x2xRxg时，下侧梁发生明显的弯曲变形（见图3）;如果继续施加推力至2xRxg，很有可能导致罐箱整体失稳垮塌。

2 20英尺罐箱下侧梁失稳原因

根据外部纵向栓固试验加载方式，计算原设计方案下的20英尺罐箱下侧梁的强度和稳定性。

2.1 强度计算

利用有限元分析软件建立原设计方案下的20英尺罐箱有限元模型（见图4），共划分网格53 409个、节点52 793个。罐箱一端2个底角件底面施加位移全约束，另一端2个底角件底面施加垂向位移约束，底角件纵向外端面各施加相当于Rxg的推力。通过在罐体内施加液体梯度的形式加载载荷R-T，并通过施加相当于垂向重力加速度的惯性加速度加载罐箱自重载荷。

如图5所示：罐箱侧梁整体应力小于许用应力236 MPa。如图6所示：罐箱下侧梁整体薄膜应力小于许用应力195 MPa;一次局部薄膜应力最大值为275 MPa，小于许用应力294 MPa。如图7所示：罐箱下侧梁与底角件连接处的应力为一次加二次应力，其最大值为300 MPa，小于许用应力585 MPa。由此可见，原设计方案下的20英尺罐箱下侧梁满足强度设计要求。

2.2 稳定性计算

利用有限元分析软件计算原设计方案下的20英尺罐箱下侧梁屈曲载荷。按上述加载方式加载，打开预应力选项，分析静强度，求解结束后进行特征值屈曲分析。由表1和图8可知：在外部纵向栓固试验条件下，当纵向力达到0.473 53x2xRxg时，罐箱下侧梁发生屈曲，无法满足稳定性设计要求。实际失稳推力小于有限元模拟计算结果的主要原因是：原设计方案下的20英尺罐箱下侧梁在制造过程中已产生一定程度的弯曲，且拼接焊缝处存在应力集中，从而对结构稳定性造成不利影响。

3 20英尺罐箱下侧梁优化设计方案及效果

3.1 优化设计方案

针对结构失稳问题，可采取以下两种优化设计方案：方案一是严格控制板件的宽厚比（截面板件平直段的宽度与厚度的比值）和构件的长细比（构件计算长度与构件截面回转半径的比值），从而避免局部失稳并确保整体稳定;方案二是尽量采用轴心受力构件，从而使构件截面应力均匀分布。根据试验情况分析，方案一作用不大，故采用方案二，具体措施如下：选用轴心受压构件，采用符合GB/T 6728-2017《结构用冷弯空心型钢》的矩形型钢（截面尺寸为140 mmx80 mmx4 mm），材质为符合GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》的Q355D，整梁不拼接，并在底部加装由同样规格的矩形型钢制作而成的斜撑。

3.2 优化设计效果

根据外部纵向栓固试验加载方式，计算优化设计后的20英尺罐箱下侧梁的强度和稳定性。

3.2.1 强度计算

利用有限元分析软件建立优化设计后的20英尺罐箱有限元模型（见图9），共划分网格56 483个、节点55 497个。罐箱一端2个底角件底面施加位移全约束，另一端2个底角件底面施加垂向位移约束，底角件纵向外端面各施加相当于R€譯的推力。通过在罐体内施加液体梯度的形式加载载荷R-T，并通过施加相当于垂向重力加速度的惯性加速度加载罐箱自重载荷。

如图10所示：罐箱侧梁各点应力均小于许用应力，其中，下侧梁与角柱下部连接处应力最大，为229 MPa。由此可见，优化设计后的20英尺罐箱下侧梁满足强度设计要求。

3.2.2 稳定性计算

3.2.2.1 下侧梁屈曲载荷计算

利用有限元分析软件计算优化设计后的20英尺罐箱下侧梁屈曲载荷。按上述加载方式加载，打开预应力选项，分析静强度，求解结束后进行特征值屈曲分析。由表2和图11可知：在外部纵向栓固试验条件下，当纵向力达到4.298 8x2xRxg时，罐箱下侧梁发生屈曲，即当安全系数取4时，纵向栓固侧梁不会发生屈曲，满足稳定性设计要求。

3.2.2.2 轴心受压构件稳定性计算

参照GB 50017-2017《钢结构设计标准》对轴心受压构件稳定性的计算要求，计算优化设计后的20英尺罐箱下侧梁的稳定性。

下侧梁材质为 Q355D，弹性模量E=206 GPa ，截面尺寸为140 mmx80 mmx4mm，属c类截面（见图12）。下侧梁两端分别与角件和角柱固定，底部设有2个相同规格的支撑件。经计算，截面惯性矩=4 493 525 mm，惯性矩=1 867 605 mm，有效面积为1 696 mm，回轉半径i=51.5mm，回转半径i=33.0 mm。

对下侧梁及底部斜撑进行简化（见图13），确定斜撑中间下侧梁段的长度=3 451 mm，并据此计算该规格下侧梁在长度下的长细比，结果为：⋋=67.0，⋋=104.5。

取⋋=max（⋋，⋋），下侧梁材质的弹性模量=206 GPa，屈服强度=355 MPa。根据⋋的值将其代入相应的公式，计算下侧梁在长度下的稳定系数 ，结果为：⋋=1.38>0.215，=0.348。

对优化设计后的20英尺罐箱下侧梁的稳定性进行校核：N=30 480 kgx9.8 N/kg=298 704 N，A=140 mmx80 mm=11 200 mm，=305 MPa，=0.348，N/（ ΦxAXf）=0.251<1.0，即优化设计后的20英尺罐箱下侧梁的稳定性符合设计要求。

3.2.3 试验结果

对优化设计后的20英尺罐箱实施外部纵向栓固试验，结果显示：罐箱下侧梁未发生明显变形（见图14）;罐箱整体未发生泄漏以及影响正常使用的永久性变形;罐箱尺寸能够满足装卸、栓固和换装作业要求。

4 结束语

下侧梁是罐箱外部纵向栓固的主要受力构件。根据对20英尺罐箱下侧梁受力情况的分析和计算，建议下侧梁采用双轴对称截面的矩形型钢，在结构允许的情况下增设底部斜撑，并在生产过程中尽量满足直线度要求，避免焊接拼接，从而提高下侧梁的抗弯能力和稳定性。

（编辑：张敏 收稿日期：2021-07-21）